DE102007026784A1 - Electronic switch unit's capacitance-voltage-characteristic curve determining method, involves determining inter electrode capacitance-current intensity by difference of static inter electrode current intensity and dynamic current intensity - Google Patents
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Abstract
Description
Verfahren zur Bestimmung von Kapazitäts-Spannungs-Kennlinien elektronischer Schaltelemente, dadurch gekennzeichnet, dass bei gesteuerten elektronischen Schaltelementen (drei Kontakte) die Abhängigkeit der Eingangs-, Rückwirkungs- und Ausgangskapazität von den zugehörigen Eigenspannungen bzw. bei passiven elektronischen Schaltelementen (zwei Kontakte) die Abhängigkeit der Interelektrodenkapazität von Interelektrodenspannung als differentielle bzw. als Großsignalkapazität aus applikationstypischen Kommutierungsvorgängen bestimmt wird, indem bei gesteuerten elektronischen Schaltelementen die zeitdiskreten Messdaten der Eingangs-, Rückwirkungs- und Ausgangsspannung sowie die Eingangs- und Ausgangsstromstärke und bei passiven elektronischen Schaltelementen die zeitdiskrete Messdaten der Interelektrodenspannung sowie die Interelektrodenstromstärke applikationstypischer Kommutierungsvorgängen aufgenommen werden; dass die gemessenen zeitabhängigen Spannungen bei gesteuerten elektronischen Schaltelementen um die durch die Ein- und Ausgangsstromstärke bzw. bei passiven elektronischen Schaltelementen um die durch die Interelektrodenstromstärke verursachten Spannungsabfälle über den wirkenden Widerständen zwischen den Messstellen und dem Chip sowie bei gesteuerten elektronischen Schaltelementen die durch den Ein- und Ausgangsstromanstieg bzw. bei passiven elektronischen Schaltelementen Interelektrodenstromanstieg verursachten Spannungsabfälle über der wirkenden Induktivität zwischen den Messstellen und dem Chip entsprechend des zweiten Kirchhoff'schen Satzes zu Chipspannungen korrigiert werden können; wobei bei gesteuerten elektronischen Schaltelementen die Ausgangskapazitätsstromstärke durch Differenz der aus dem Ausgangskennlinienfeld des elektronischen Schaltelementes für jeden Messzeitpunkt ermittelbaren statischen Ausgangsstromstärke und der dynamisch gemessenen Stromstärke bzw. bei passiven elektronischen Schaltelementen die Interelektrodenkapazitätsstromstärke durch Differenz der aus der Interelektrodenkennlinie des elektronischen Schaltelementes für jeden Messzeitpunkt ermittelbare statische Interelektrodenstromstärke und der dynamisch gemessenen Interelektrodenstromstärke ermittelt wird; dabei ergeben sich bei gesteuerten elektronischen Schaltelementen durch numerische Integration der Eingangsstromstärke und der Ausgangskapazitätsstromstärke bzw. bei passiven Schaltelementen durch Integration der Interelektrodenstromstärke nach Offsetkorrekturen, welche der Bedingung genügen, dass die Ladung der Kapazitäten zu dem Zeitpunkt null Coulomb beträgt, zu dem die Eigenspannung der Kapazität gleich null ist, die zeitabhängigen Eingangs-, Rückwirkungs- und Ausgangs- bzw. Interelektrodenladungsverläufe aus welchen die differentielle Kapazitäten (Cdiff = dQ(t)/dV(t)) bzw. die Großsignalkapazitäten (CLS = Q(t)/V(t)) der elektronischen Schaltelemente bestimmt werden können.Method for determining capacitance-voltage characteristics of electronic switching elements, characterized in that in controlled electronic switching elements (three contacts) the dependence of the input, feedback and output capacitance of the associated residual stresses or in passive electronic switching elements (two contacts) the dependence the interelectrode capacitance of interelectrode voltage is determined as a differential or large signal capacitance from application-typical commutation by the discrete-time measurement data input, Rückwirkungs- and output voltage and the input and output current and in passive electronic switching elements, the time-discrete measurement data of the interelectrode voltage and the Interelektrodenstromstärke application-typical Kommutierungsvorgängen be included; that the measured time-dependent voltages at controlled electronic switching elements by the input and output current strength or passive electronic switching elements by the voltage caused by the interelectrode current drops across the acting resistors between the measuring points and the chip as well as controlled electronic switching elements by the input and output current increase or in the case of passive electronic switching elements Interelektrodenstromanstieg caused voltage drops over the acting inductance between the measuring points and the chip can be corrected according to the second Kirchhoff's theorem to chip voltages; wherein in controlled electronic switching elements, the output capacitance current strength by difference of the static output current intensity and the dynamically measured current from the output characteristic field of the electronic switching element for each measurement time or in passive electronic switching elements, the Interelektrodenkapazitätsstromstärke by difference of the Interelektrodenkennlinie of the electronic switching element for each measurement time detectable static Interelektrodenstromstärke and the dynamically measured interelectrode current intensity is determined; This results in controlled electronic switching elements by numerical integration of the input current intensity and the output capacitance current or passive switching elements by integration of Interelektrodenstromstärke after offset corrections, which satisfy the condition that the charge of the capacitances at the time zero Coulomb, to which the residual stress of the capacitance is zero, the time-dependent input, feedback and output or Interelektrodenladungsverläufe from which the differential capacitances (C diff = dQ (t) / dV (t)) and the large signal capacitances (C LS = Q (t) / V (t)) of the electronic switching elements can be determined.
Es folgt eine ausführliche Erörterung am Ausführungsbeispiel: MOSFET It follows a detailed discussion on the embodiment: MOSFET
2. Schaltverhalten2. Switching behavior
2.1. Trench Gate MOSFETs2.1. Trench gate MOSFETs
Trench
Gate MOSFETs unterscheiden sich von den planaren MOSFETs durch eine
neue Gatestruktur, die einen vertikalen Verlauf des Kanals in der
p-Wanne ermöglicht. Aus der räumlichen Struktur
der MOSFET-Zelle mit Trench Gate (
Durch eine Vergrößerung der aktiven Siliziumfläche kann bei der Grabenstruktur eine verbesserte Steuerung des Kanalquerschnittes ermöglicht und ein kleinerer Kanalwiderstand bewirkt werden. Weitere Vorteile sind, dass höhere Stromdichten, niedrigere Durchlass- und Schaltverluste, höhere Durchbruchspannungen und eine höhere Latch-up-Festigkeit zu erreichen sind bzw. die Zellfläche im Vergleich zu entsprechenden planaren MOSFETs verkleinert werden kann. Dem stehen als Nachteile eine schlechtere Kurzschlussfestigkeit, eine höhere Gatekapazität CGS und ein aufwendigeres Produktionsverfahren gegenüber [1].By enlarging the active silicon area, in the trench structure, an improved control of the channel cross-section is made possible and a smaller channel resistance is effected. Further advantages are that higher current densities, lower forward and switching losses, higher breakdown voltages and a higher latch-up-strength can be achieved or the cell area can be reduced compared to corresponding planar MOSFETs. The disadvantages are a poorer short circuit resistance, a higher gate capacitance C GS and a more complex production process compared to [1].
Im Rahmen dieser Arbeit werden alle Untersuchungen an einer Halbbrücke mit Trench Gate MOSFETs in isoliertem Package durchgeführt [2].in the All work on a half bridge is part of this work performed with trench gate MOSFETs in insulated package [2].
2.2. Schaltverhalten von MOSFETs beim harten Schalten2.2. Switching behavior of MOSFETs during hard switching
2.2.1. Einfluss der Freilaufdiode2.2.1. Influence of the freewheeling diode
Viele
Schaltaufgaben für MOSFETs sind gekennzeichnet durch „hartes"
Ein- und Ausschalten ohmsch-induktiver Lasten bei denen der Laststrom
IL nie auf Null absinkt (nicht kickender
Betrieb). Die Lastzeitkonstante LL/RL ist dabei viel größer
als die Periodendauer TS = 1/fS der
Schaltfrequenz. Das erfordert eine Freilaufdiode, die beim Ausschalten
des MOSFETs ein Abreißen des Laststroms IL durch
die Lastinduktivität LL verhindert.
Das Schaltverhalten von MOSFETs soll im Folgenden anhand einer Tiefsetzstellerschaltung
verdeutlicht werden (
Wie
sich die beiden Halbleiter in der Strom- und Spannungsführung
ablösen, wird maßgeblich durch die Diode und deren
Kennlinie beeinflusst (
So kann beim Einschalten des Transistors die Diode erst dann ausschalten bzw. Sperrspannung übernehmen, wenn der Strom vollständig von der Freilaufdiode auf den Transistor kommutiert ist, d. h. der Drainstrom ID muss die Höhe des Laststroms erreichen, bevor die Drain-Source-Spannung VDS auf ihren Durchlasswert absinken kann. Die Stromkommutierung findet vor der Spannungskommutierung statt.Thus, when the transistor is turned on, the diode can only switch off or take over blocking voltage if the current is completely commutated by the freewheeling diode onto the transistor, ie the drain current I D must reach the level of the load current before the drain-source voltage V DS can sink to their pass value. The current commutation takes place before the voltage commutation.
Demzufolge kann beim Ausschalten des Transistors die Diode erst dann einschalten bzw. Strom führen, wenn die Spannung vollständig vom MOSFET auf die Diode kommutiert ist, d. h. die Drain-Source-Spannung VDS muss wenigstens auf das Niveau der Zwischenkreisspannung VDClink angestiegen sein, bevor der Drainstrom ID auf den Wert des Reststroms abfallen kann. Die Stromkommutierung erfolgt nach der Spannungskommutierung.Accordingly, when the transistor is turned off, the diode can not turn on until the voltage is fully commutated by the MOSFET to the diode, ie, the drain-source voltage V DS must have increased at least to the level of the intermediate circuit voltage V DClink the drain current I D can drop to the value of the residual current. The current commutation takes place after the voltage commutation.
Neben
den beschriebenen Effekten wirkt sich das Reverse-Recovery-Verhalten
der Freilaufdiode direkt auf den Drainstrom aus. Beim Übergang
vom leitenden in den sperrenden Zustand wird die in der Diode gespeicherte
Ladung durch einen Stromfluss in Rückwärtsrichtung
der Diode abgebaut. Da der Laststrom IL der
Knotengleichung
2.2.2 Einfluss der Kommutierungsinduktivität und -kapazität2.2.2 Influence of commutation inductance and capacity
Die
Die Kommutierungsinduktivität LK ergibt sich aus der Summe von LDClink, LK_CP, LA_CP, LD_CP und LS_CP. Sobald durch eine Induktivität ein sich ändernder Strom fließt, wird in dieser eine Spannung VL induziert, deren Richtung vom Stromanstieg abhängt: The commutation inductance L K results from the sum of L DClink , L K_CP , L A_CP , L D_CP and L S_CP . As soon as an alternating current flows through an inductance, a voltage V L is induced in it, the direction of which depends on the current increase:
Bei Anwendung des Verbraucherzählsystems ist beim aktiven Einschaltein des MOSFETs der Stromanstieg durch den MOSFET und die Induktivitäten LDClink, LD_PC und LS_PC positiv und durch die Diode und die Induktivitäten LK_PC und LA_PC negativ definiert. Der positiv definierte Drain- und Diodenstrom und damit auch die entsprechenden Stromanstiege sind jedoch entgegengesetzt gerichtet. Aufgrund der Laststromeinprägung fließen während der Kommutierung zwar unterschiedliche Stromstärken durch die Diode und den Transistor, die Stromanstiege sind jedoch gleich. Damit reduziert der Spannungsabfall über den Induktivitäten vom Beginn der Stromkommutierung bis zum Beginn des Rückstromabrisses die Spannung VDS und so die Einschaltverluste des Transistors.When the consumer counting system is used , the current rise through the MOSFET and the inductances L DClink , L D_PC and L S_PC is positively defined during active activation of the MOSFET and negatively defined by the diode and the inductances L K_P C and L A_PC . The positively defined drain and diode current and thus the corresponding current increases are, however, directed opposite. Due to the load current injection, although different currents flow through the diode and the transistor during the commutation, the current increases are the same. Thus, the voltage drop across the inductors from the beginning of Stromkommutierung to the beginning of the Rückstromabrisses reduces the voltage V DS and so the turn-on of the transistor.
Folglich kommt es beim Rückstromabriss und aktiven Ausschalten des MOSFETs aufgrund hoher Stromänderungsgeschwindigkeiten durch die Kommutierungsinduktivität zu Überspannungen an Transistor und Diode. Deshalb erhöhen sich die Ausschaltverluste und die Spannungsbeanspruchung der Leistungshalbleiter.consequently it comes with the reverse current break and active switching off the MOSFETs due to high current change rates through the commutation inductance to overvoltages to transistor and diode. Therefore, the turn-off losses increase and the voltage stress of the power semiconductors.
Der Minimalwert der Kommutierungskapazität CK setzt sich aus CGS, CGD und CDS zusammen. Ändert sich die Spannung über einer Kapazität, so kommt es zu einem Stromfluss, dessen Richtung vom Spannungsanstieg abhängt: The minimum value of the commutation capacitance C K is composed of C GS , C GD and C DS . If the voltage changes over a capacitance, a current flow occurs, the direction of which depends on the voltage increase:
Demnach wirkt CK prinzipiell ausschaltentlastend, da ein Teil des Stroms durch den Leistungshalbleiter auf die parallelen Kapazitäten kommutiert. Allerdings entstehen beim aktiven Einschalten durch das Umladen der Kommutierungskapazitäten zusätzliche Verluste. Entgegen der Idealvorstellung einer leistungslosen Spannungssteuerung über das MOSFET-Gate sind die beim Schalten notwendigen Umladeströme der internen Kapazitäten Ursache für einen schaltfrequenzabhängigen Bedarf an Ansteuerleistung. Zudem können die stromkreis- und transistorinternen Kapazitäten zusammen mit den parasitären Induktivitäten unerwünschte Schwingungen anregen.Accordingly, C K in principle acts ausschaltentlastend, since a part of the current through the power semiconductor commutated to the parallel capacitances. However, additional losses occur during active switching on due to the transfer of the commutation capacities. Contrary to the ideal conception of powerless voltage control via the MOSFET gate, the reloading currents of the internal capacitances required during switching are the cause of a switching frequency-dependent demand for drive power. In addition, the circuit and transistor-internal capacities can stimulate unwanted vibrations together with the parasitic inductances.
2.3. dID/dt und dVDS/dt – Rückkopplung2.3. dI D / dt and dV DS / dt - feedback
2.3.1. dID/dt – Rückkopplung der Sourceinduktivität2.3.1. dI D / dt - feedback of the source inductance
Aus
2.3.2. dVDS/dt – Rückkopplung der Drain-Gate-Kapazität2.3.2. dV DS / dt - feedback of the drain-gate capacitance
Der
Einfluss der parasitären Drain-Gate-Kapazität
CDG wird als Millereffekt bezeichnet. CDG, auch Millerkapazität genannt,
bewirkt eine dVDS/dt Gegenkopplung auf das
Gate. Zur Verdeutlichung dieses Effektes werden im Folgenden die
Vorgänge am Transistor während des Ein- und Ausschaltens
näher betrachtet.
Einschalten des MOSFETsTurn on the MOSFET
Mit
dem Einschalten der Steuerspannung VDr beginnt
ein positiver Gatestrom zu fließen, der
zunächst hauptsächlich die Gatekapazität
CGS auflädt. VGS steigt
an. Bis die Schwellenspannung VGS(th) erreicht
wird, bleiben die Drain-Source-Spannung und der Drainstrom unbeeinflusst,
d. h. VDS ≈ VDClink und
ID entspricht weiterhin dem Reststrom (vgl. Übertragungskennlinie
in
Nach der Stromkommutierung kann die Drain-Source-Spannung auf VDS(on) absinken. ID und VGS sind weiterhin über gfs gekoppelt, deshalb bleibt VGS konstant auf dem Wert, der entsprechend der Transferkennlinie notwenig ist, um ID = IL aufrecht zu erhalten. Es entsteht das Millerplateau. Während VDS sinkt, lädt der gesamte Gatestrom die stark spannungsabhängige Drain-Gate-Kapazität um: und verursacht so den negativen Drain-Source-Spannungsanstieg [3] After current commutation, the drain-source voltage may drop to V DS (on) . I D and V GS are still coupled via g fs , so V GS remains constant at the value necessary according to the transfer characteristic to maintain I D = I L. The result is the Miller Plateau. As V DS decreases, the entire gate current overcharges the highly voltage-dependent drain-gate capacitance: causing the negative drain-source voltage rise [3]
Da
die Millerkapazität stark spannungsabhängig ist
und bei kleinen und negativen Drain-Gate-Spannungen stark ansteigt,
wird – auch noch wenn dVDS/dt betragsmäßig
sinkt – der gesamte Gatestrom zum Umladen von CDG verbraucht. Erst wenn die Drain-Source-Spannung
soweit abgesunken ist, dass der benötigte Umladestrom der
Millerkapazität kleiner als der bereitgestellte Gatestrom
ist, steigt die Gate-Source-Spannung weiter an. Der Transistor befindet
sich dann bereits im Ohmschen Bereich des Ausgangskennlinienfeldes,
d. h. VGS ist nicht mehr über gfs mit ID gekoppelt.
Die Gate-Source-Spannung steigt auf die Steuerspannung an. Der Endwert
von VGS beeinflusst den RDS(on) und
damit die Drain-Source-Spannung
Die insgesamt notwendige Ladungsmenge QGtot ist umso größer und die Ladedauer umso länger, je größer VDS, denn es gilt: The total amount of charge required Q Gtot is greater and the charging time is longer, the larger V DS , because it applies:
Berücksichtigt
man das Reverse-Recovery-Verhalten der Diode, so wächst
der Drainstrom über IL auf ID = IL + Irr an, wodurch VGS über
die Millerspannung hinaus ansteigt (vgl.
Ausschalten des MOSFETsTurn off the MOSFET
Beim Ausschalten laufen die beschriebenen Abläufe in umgekehrter Reihenfolge ab. Ein negativer Gatestrom führt dazu die Ladungsmenge QGtot aus dem Gate ab. So nimmt zunächst die Gate-Source-Spannung exponentiell ab. Während ID noch unverändert bleibt, beginnt VDS(on) = ID·RDS(on) leicht zu steigen. Vom Verlassen des Ohmschen und dem anschließenden Durchlaufen des Aktiven Kennlinienbereiches bis zum Erreichen von VDS(off) ≈ VDClink bildet sich wieder das Millerplateau aus. Danach kann die Stromkommutierung stattfinden und die Gate-Source-Spannung weiter exponentiell abnehmen. Mit dem Erreichen von VGS(th) ist der Transistor ausgeschaltet.When switching off, the processes described proceed in the reverse order. A negative gate current leads to the charge quantity Q Gtot from the gate. So first the gate-source voltage decreases exponentially. While I D still remains unchanged, V DS (on) = I D * R DS (on) starts to increase slightly. From leaving the Ohm and the subsequent passage through the active characteristic range until reaching VDS (off) ≈ V DClink , the Miller plateau is formed again. After that, the current commutation can take place and the gate-source voltage continues to decrease exponentially. When V GS (th) is reached, the transistor is turned off.
Das Umladen der Millerkapazität beim Ein- und Ausschalten verlangsamt das Laden und Entladen der Gate-Source-Kapazität. Durch einen größeren Gatewiderstand RG wird das Schalten verlangsamt.Reloading the Miller Capacity on and off slows down the charging and discharging of the gate-source capacitance. By a larger gate resistance R G , the switching is slowed down.
2.3.3. Rückkopplung im MOSFET-Brückenzweig mit Inversdiode2.3.3. Feedback in the MOSFET bridge branch with inverse diode
Die
beschriebenen Rückkopplungseffekte können unter
bestimmten Bedingungen durch die Millerkapazität und die
Sourceinduktivität einen weiteren Effekt hervorrufen, wenn
die Tiefsetzstellerschaltung durch eine Brückenschaltung
von MOSFETs mit integrierten Inversdioden realisiert wird (
Zu Betrachtungsbeginn sind Topschalter T1 und Bottomschalter T2 ausgeschaltet und der Laststrom fließt durch die Diode D2. Wird nun Transistor T1 aktiv eingeschaltet, so bewirkt der steile positive Anstieg der Drain-Source-Spannung dVDS2/dt zum Zeitpunkt des Rückstromabrisses seiner parallelen Inversdiode D2 einen Verschiebestrom iv durch die Millerkapazität. Der Verschiebestrom verursacht über dem Widerstand RG einen negativen Spannungsabfall VRG. Gleichzeitig entsteht durch den negativen Stromanstieg während des Rückstromabrisses eine Spannung VLS_PC1 über der Sourceinduktivität LS_PC1. Beide Rückkopplungen können den MOSFET T2 während des Rückstromabrisses in den aktiven Bereich steuern, falls die Summe der Spannungen VRG und VLS_PC1 größer als die Schwellenspannung Vth des MOSFETs wird. Das fuhrt zu einen Querstrom in der Brücke und zusätzlichen Verlusten in den Transistoren T1 und T2 [1].At the beginning of the viewing, the top switch T1 and the bottom switch T2 are turned off and the load current flows through the diode D2. Now, if transistor T1 is actively turned on, the steep positive increase of the drain-source voltage dV DS2 / dt at the time of the reverse current break of its parallel inverse diode D2 causes a shift current i v through the Miller capacitance. The displacement current causes a negative voltage drop V RG across the resistor R G. At the same time, due to the negative current increase during the reverse current breakdown, a voltage V LS_PC1 arises across the source inductance L S_PC1 . Both feedbacks may control the MOSFET T2 during the reverse current cut-off to the active region if the sum of the voltages V RG and V LS_PC1 becomes greater than the threshold voltage V th of the MOSFET. This leads to a cross current in the bridge and additional losses in the transistors T1 and T2 [1].
Trotz
dieser negativen Konsequenzen empfiehlt sich für die Ansteuerung
von Leistungs-MOSFETs das Anlegen einer negativen Gate-Drain-Spannung
im ausgeschalteten Zustand nicht, da MOSFETs nur eine beschränkte
dV/dt-beziehungsweise die internen Inversdioden nur eine begrenzte
dI/dt-Festigkeit besitzen. Neben dem erläuterten Einschalten
des MOSFETs aufgrund des durch den Verschiebestrom entstehenden Spannungsabfalls über
dem Gatewiderstand, kann der Spannungsanstieg auch das Einschalten
des parasitären Bipolartransistors verursachen [4]. Es
ist jedoch unbedingt notwendig, das parasitäre Einschalten
des Bipolartransistors zu verhindern, indem das Potential der parasitären
Basis so nah wie möglich am Sourcepotential bleibt. Deshalb
wird der Bodyanschluss (p- Substrat) an die n-Region (Source) angeschlossen.
Dadurch wird die Basis-Emitter-Strecke des parasitären
npn-Bipolartransistors kurzgeschlossen. Die Basis-Kollektor-Diode
entspricht dabei der Inversdiode (
2.4. Strom- und Spannungsverläufe beim Ein- und Ausschalten2.4. Current and voltage curves when switching on and off
Die
beschrieben Effekte sind für den Tiefsetzsteller – ohne
die Berücksichtigung von möglichen Schwingungen – in
3. Ermittlung der Kapazitäten mittels transienter Analyse3. Determination of capacities using transient analysis
3.1. Analysearten3.1. analysis types
Die
Intension dieser Arbeit ist es, die spannungsabhängigen
Schalterkapazitäten während der Schaltvorgänge
zu bestimmen. Die Schalterkapazitäten können mit
Hilfe verschiedener Analysearten untersucht werden. Um eine Entscheidung
treffen zu können, welche Analyse zur Bestimmung der Kapazitäten
geeignet ist, werden die grundlegenden Analysearten kurz erläutert
und in der folgenden Tabelle gegenübergestellt.
Die Gleichstromanalyse dient der Ermittlung eines Gleichstromarbeitspunktes. Die Schaltung wird dabei mit allen Nichtlinearitäten, aber ohne Zeitabhängigkeiten betrachtet. So werden beispielsweise Induktivitäten durch einen Kurzschluss und Kapazitäten durch einen unendlich großen Widerstand (Unterbrechung) modelliert. Diese Art von Analyse kann deshalb nicht zur Ermittlung der Schalterkapazitäten verwendet werden.The DC analysis is used to determine a DC working point. The circuit will work with all nonlinearities, but considered without time dependencies. For example Inductors due to a short circuit and capacitances through an infinite resistance (interruption) modeled. This type of analysis can therefore not be used to identify the switch capacities are used.
Die Wechselstromanalyse dient zur Berechnung des Kleinsignalverhaltens der Schaltung. Untersucht wird das Verhalten bei kleinen Auslenkungen aus einem DC-Arbeitspunkt mit sinusförmigen Wechselgrößen als Stimuli. Alle Nichtlinearitäten werden durch lineare Funktionen im Arbeitspunkt dargestellt. Diese Analysenart eignet sich zur Bestimmung der Schalterkapazitäten, wenn man diese für eine Vielzahl von Arbeitspunkten bestimmt, die dann während der Kommutierung durchlaufen werden. Es ist ein algebraisches, lineares, komplexwertiges Gleichungssystem zu lösen.The AC analysis is used to calculate the small-signal behavior the circuit. The behavior is examined with small deflections from a DC operating point with sinusoidal alternating quantities as Stimuli. All nonlinearities are characterized by linear functions shown in the working point. This type of analysis is suitable for determination the switch capacities, if one for a Determined variety of working points, which then during to undergo the commutation. It is an algebraic, linear, solve complex system of equations.
Die transiente Analyse stellt den allgemeinsten Fall dar. Als Stimuli können beliebige zeitabhängige Größen auftreten. Alle Nichtlinearitäten bleiben erhalten. Die transiente Analyse bildet den zeitlichen Verlauf der Variablen der vorliegenden Schaltung nach. Somit erweist sich die Großsignalanalyse als besonders praktikabel zur Ermittlung der Kapazitäten während der Kommutierung. Es muss ein nichtlineares, reellwertiges Algebro-Differentialgleichungssystem gelöst werden. In diesem sind gewöhnliche Differentialgleichungen und algebraische Nebenbedingungen gekoppelt.The Transient analysis is the most general case. As stimuli can be any time-dependent quantities occur. All nonlinearities are preserved. The transient analysis forms the temporal course of the variable present circuit after. Thus, the large signal analysis proves as particularly practicable for determining the capacities during the commutation. It has to be a non-linear, real-valued one Algebro differential equation system can be solved. In these are ordinary differential equations and algebraic ones Coupled with ancillary conditions.
3.2. Nichtlineare Kapazität – Großsignal- und Kleinsignalkapazität3.2. Nonlinear capacity - large signal and small signal capacity
Die
elektrische Kapazität stellt die Fähigkeit eines
Körpers dar, elektrische Ladungen zu speichern. Die gespeicherte
Ladung q(t) ist dabei eine Funktion von der momentanen Spannung über
der Kapazität. Die Ladungs-Spannungs-Kennlinie kann demzufolge
durch die Gleichung ausgedrückt werden.
Der Strom durch die Kapazität ergibt sich aus die spannungsabhängige
differentielle Kapazität ist. Gleichung (3.2) ist allgemein
gültig, wenn die Abhängigkeit der differentiellen
Kapazität von der angelegten Spannung berücksichtigt
wird [5]. Die differentielle Kapazität Cdiff(v)
ist keine Kleinsignalkapazität. Kleinsignalkapazitäten
beziehen sich immer auf einen Arbeitspunkt. Eine nichtlineare differentielle
Kapazität bei der Spannung v0 kann
durch eine Tangente im Punkt P(v0; q(v0)) dargestellt werden (
Taylorreihen werden in der Analysis verwendet, um Funktionen in der Umgebung bestimmter Punkte durch Potenzreihen darzustellen. So können komplizierte analytische Ausdrücke durch eine nach wenigen Gliedern abgebrochene Taylorreihe (meist) gut angenähert werden. Die Taylorreihe einer Funktion in einem Punkt (Entwicklungspunkt) ist die Potenzreihenentwicklung der Funktion an diesem Punkt [6]. So kann auch die Gleichung (3.1) mit dem Entwicklungspunkt v0 in die Taylorreihe bzw. die Veränderung der Ladung gegenüber der Ladung bei v0 in die Taylorreihe umgeformt werden. Die Ableitungen der Ladung nach der Spannung an der Stelle v0 sind zeitlich unabhängig. Damit ergibt sich für Strom mit v(t) – v0 = Δv Taylor series are used in analysis to represent functions in the vicinity of certain points by power series. Thus, complicated analytic expressions can be approximated well by a Taylor series broken off after a few terms. The Taylor series of a function in a point (development point) is the power series evolution of the function at that point [6]. So also the equation (3.1) with the evolution point v 0 into the Taylor series or the change of charge compared to the charge at v 0 in the Taylor series be transformed. The derivatives of the charge after the voltage at the point v 0 are independent in time. This results in current with v (t) - v 0 = Δv
Bei kleinen Auslenkungen aus v0 bzw. kleinem Δv kann die Taylorreihe (3.6) mit guter Nährung auf den ersten Term reduziert werden. Man spricht von einer Linearisierung im Stromarbeitspunkt mit einem Gleichanteil IDC = 0 A. Es ergibt sich die Kleinsignalkapazität im Spannungsarbeitspunkt v0 ist. Offensichtlich ist C1(v0) eine Linearisierung im Arbeitspunkt und lediglich eine Funktion der Spannung, bei der die Kapazität betrieben wird. Eine Gegenüberstellung der Gleichungen (3.3) und (3.8) zeigt, dass die Kleinsignalkapazität gleich der differentiellen Kapazität im Spannungsarbeitspunkt ist. Dieser Umstand könnte bei der Ermittlung von Parameter für die Simulation genutzt werden, da eine Kleinsignalkapazität relativ einfach messbar ist (vgl. Abschnitt 3.3. – Datenblattangaben zu Schalterkapazitäten).For small deflections from v 0 or small Δv, the Taylor series (3.6) can be reduced to the first term with good nutrition. One speaks of a linearization in the current working point with a DC component I DC = 0 A. It follows the small signal capacitance at the voltage operating point is v 0 . Obviously, C 1 (v 0 ) is a linearization at the operating point and only a function of the voltage at which the capacitance is operated. A comparison of equations (3.3) and (3.8) shows that the small signal capacitance is equal to the differential capacitance at the voltage operating point. This circumstance could be used in the determination of parameters for the simulation, since a small-signal capacity can be measured relatively easily (see Section 3.3 - Datasheet details on switch capacities).
Eine Großsignalkapazität kann definiert werden als A large signal capacity can be defined as
Der Strom durch diese Großsignalkapazität errechnet sich nach Anwendung der Produktregel durch The current through this large signal capacity is calculated by applying the product rule by
Die Gleichungen (3.10) und (3.2) sind auf den ersten Blick verschieden. Sie basieren jedoch beide darauf, dass sich der Strom durch die Kapazität ausergibt.The equations (3.10) and (3.2) are different at first glance. However, they are both based on the fact that the current is characterized by the capacity results.
Durch Einsetzen von Gleichung (3.9) in Gleichung (3.10) wird nachfolgend noch einmal deutlich gemacht, dass die Gleichungen (3.10) und (3.2) zum selben Ergebnis führen. Das könnte mitunter für die Simulation des Kapazitätsstromes interessant sein. Es ergibt sich. aus Gleichung (3.9) unter Anwendung der Quotientenregel und damit aus Gleichung (3.10), (3.11) und (3.9) By substituting Equation (3.9) into Equation (3.10), it is once again made clear that Equations (3.10) and (3.2) produce the same result. This could be interesting for the simulation of the capacitance current. It turns out. from equation (3.9) using the quotient rule and thus from equations (3.10), (3.11), and (3.9)
Welche Gleichung zur Ermittlung des Kapazitätsstroms verwendet wird, ist somit eine Frage der Kapazitätsdefinition [5]. Die messtechnische Ermittlung der differentiellen Kapazität C(v(t)) oder auch der Großsignalkapazität C2(v(t)) könnten dem Anwender und Entwickler von Transistoren wichtige Information darüber liefern, wie sich die Schalter kapazitäten während des Schaltens verändern, und so den Einfluss auf das Schaltverhalten mittels Kalkulation der Verschiebeströme durch die Kapazitäten besser. aufzeigen.Which equation is used to determine the capacitance current is thus a question of the capacity definition [5]. The metrological determination of the differential capacitance C (v (t)) or the large signal capacitance C 2 (v (t)) could provide the user and developer of transistors important information about how the switch capacitances change during switching, and so Influence on the switching behavior by means of calculation of the displacement currents through the capacitors better. show.
3.3. Datenblattangaben zu Schalterkapazitäten3.3. Datasheet information on switch capacities
In Datenblättern werden die Kleinsignalkapazitätskennlinien der Eingangskapazität Ciss, der Ausgangskapazität Coss und der Rückwirkungskapazität Crss üblicherweise in Abhängigkeit von der Drain-Source-Spannung VDS bei einer Frequenz f = 1 MHz und einer Gate-Source-Spannung VGS = 0 V dargestellt. Die Kapazitäten Ciss, Coss und Crss sind sowohl von der Drain-Source-Spannung VDS als auch von der Gate-Source-Spannung VGS abhängig. Sie können als Flächen in einem kartesischen Koordinatensystem mit den Dimensionen VDS, VGS und Cxss(VGS; VDS) abgebildet werden. Da eine Gate-Source-Spannung von VGS = 0 V für die Datenblattangaben festgelegt wird, stellen die Diagramme im Datenblatt jedoch lediglich einen Schnitt durch diese Flächen dar, die mitunter nicht einmal die Maximal- und Minimalwerte der spannungsabhängigen Schalterkapazitäten enthalten. Somit sind die Angaben der Datenblätter nicht aussagekräftig dafür, wie sich die Kapazitäten während des Schaltens verändern bzw. wie die Flächen Ciss(VGS; VDS), Coss(VGS; VDS) und Crss(VGS; VDS) durchlaufen werden. Da die Kleinsignalkapazitäten jedoch den differentiellen Kapazitäten im Arbeitspunkt entsprechen, werden sie anschließend kurz definiert und je eine mögliche Messschaltung zu ihrer Ermittlung aufgezeigt, um den Zusammenhang zu den Interelektrodenkapazitäten zu erläutern. Inwiefern diese Beziehungen dann auf die differentiellen Kapazitäten übertragbar sind, muss noch untersucht werden.In data sheets, the small-signal capacitance characteristics of the input capacitance C iss , the output capacitance C oss and the feedback capacitance C rss are usually dependent on the drain-source voltage V DS at a frequency f = 1 MHz and a gate-source voltage V GS = 0V shown. The capacitances C iss , C oss and C rss are dependent both on the drain-source voltage V DS and on the gate-source voltage V GS . They can be mapped as surfaces in a Cartesian coordinate system with the dimensions V DS , V GS and C xss (V GS ; V DS ). However, because a gate-to-source voltage of V GS = 0 V is specified for the data sheet information, the charts in the datasheet are only a section through these areas that may not even include the maximum and minimum values of the voltage-dependent switch capacitances. Thus, the information in the data sheets is not meaningful for how the capacitances change during switching or how the areas C iss (V GS , V DS ), Coss (V GS , V DS ) and C rss (V GS , V DS ). However, since the small-signal capacitances correspond to the differential capacitances at the operating point, they are then briefly defined and a possible measuring circuit for each of them is shown in order to explain the connection to the interelectrode capacitances. To what extent these relationships can then be transferred to the differential capacities still needs to be investigated.
Die
Eingangskapazität Ciss wird definiert
als Kapazität zwischen dem Gate- und dem Source-Anschluss
bei wechselstrommäßigem Kurzschluss zwischen der
Drain-Source-Strecke. Unter der Ausgangskapazität Coss versteht man entsprechend die Kapazität
zwischen dem Drain- und dem Source-Anschluss bei für Wechselspannung
kurzgeschlossenen Gate-Source-Anschlüssen. Als Rückwirkungskapazität
Crss wird die Kapazität erfasst,
die zwischen dem Drain- und dem Gate-Anschluss bei für
Wechselstrom kurzgeschlossener Drain-Source-Strecke gemessen wird.
Die vom Deutschen Institut für Normierung angegebenen Messschaltungen
mit den entsprechenden Anforderungen, Vorsichtsmaßnahmen
und Angaben zur Durchführung der Messung sind in der zurückgezogenen
Norm
Die
Eingangskapazität Ciss wird entsprechend
dem Schaltungsaufbau nach
Der parallel zum Ausgang geschaltete Kondensator schließt die Kapazität über den Ausgangsklemmen für den Wechselstrom kurz. Demnach liegen auch die beiden Kapazitäten CDG und CGS parallel. Es gilt: The capacitor connected in parallel with the output short-circuits the capacitance across the output terminals for the alternating current. Accordingly, the two capacitors C DG and C GS are parallel. The following applies:
Aus den gemessenen Wechselgrößen in Schaltung b) ermittelt sich die Ausgangskapazität From the measured variables in circuit b), the output capacitance determined
Aus
dem Ersatzschaltbild ergibt sich:
Aus den Messschaltungen c) und dem dazugehörigen Ersatzschaltbild ergibt sich From the measuring circuits c) and the associated equivalent circuit diagram results
Dabei stimmen die Messschaltungen b) und c) überein. In der Schaltung c) wird allerdings der Strom i1 durch die Eingangs- und nicht der Strom i2 durch die Ausgangsklemmen gemessen. Bei positiven Drain-Source-Spannungen kann jedoch nur ein Teilbereich der Rückwirkungskapazität bzw. die Drain-Gate-Kapazität ermittelt werden. Die bestimmbaren Werte würden zwar der zuvor erläuterten Definition entsprechen, allerdings entstehen während des Schaltens auch negative Drain-Gate-Spannungen, für die mit dieser Methode die Rückwirkungskapazität nicht ermittelt werden kann.In this case, the measuring circuits b) and c) match. In the circuit c), however, the current i 1 is measured by the input and not the current i 2 through the output terminals. For positive drain-source voltages, however, only a portion of the reaction capacitance or the drain-gate capacitance can be determined. Although the determinable values would correspond to the previously explained definition, negative drain gate voltages occur during the switching, for which the reaction capacitance can not be determined with this method.
Wollte
man nun mit Hilfe der Messschaltung nach
Die
prinzipielle Messschaltung ist in
Für die Messungen sind die Arbeitspunkte durch einen Doppelpuls eingestellt worden. Über die Dauer des ersten Pulses und durch die Wahl der Lastinduktivität wurde der Laststrom eingestellt und seine fallende Flanke bzw. die steigende Flanke des zweiten Pulses dienten zur Messung der Aus- bzw. Einschaltverläufe. Die Daten wurden also nicht im Dauerbetrieb aufgenommen. Eine solche Vorgehensweise bietet den Vorteil, dass bei pulsförmig auftretender Verlustleistung die thermische Impedanz des DUT (Device Under Test) verhindert, dass sich die eingestellte Junktiontemperatur ändert.For the measurements are the working points set by a double pulse Service. About the duration of the first pulse and through the Choice of the load inductance, the load current was set and its falling edge, or the rising edge of the second Pulses were used to measure the switch-off and switch-on characteristics. The Data was not recorded in continuous operation. Such Procedure has the advantage that when pulsed occurring power loss the thermal impedance of the DUT (Device Under Test) prevents the set junction temperature from changing.
3.4. Messdatenglättung3.4. Data smoothing
Der Aufarbeitung der Messdaten zur Auswertung der C-V-Kennlinien kommt eine besondere Bedeutung zu, da die Ermittlung der Kennlinien numerisch erfolgt. Insbesondere bei der numerischen Differentiation sind die verrauschten Messdaten problematisch, weshalb die Messdaten mehrmals mit einem numerischen PT1-Glied geglättet werden. Ein PT1-Glied ist ein Tiefpass, also ein Filter, der Signalanteile mit Frequenzen unterhalb der Grenzfrequenz nahezu ungeschwächt passieren lässt und Signalanteile höherer Frequenzen abschwächt. Im Zeitbereich kann das Proportional-Element mit Verzögerung erster Ordnung mit dem Proportionalbeiwert KP = 1 durch folgende Differentialgleichung definiert werden [8].The processing of the measurement data for the evaluation of the CV characteristics is of particular importance, since the determination of the characteristic curves takes place numerically. Especially in numerical differentiation, the noisy measurement data are problematic, which is why the measurement data are smoothed several times with a numerical PT1 element. A PT1 element is a low-pass filter, ie a filter that lets signal components with frequencies below the cut-off frequency pass through almost unattenuated and attenuates signal components of higher frequencies. In the time domain, the proportional element with first order lag can be defined with the proportional coefficient K P = 1 by the following differential equation [8].
Diese kann näherungsweise folgendermaßen diskretisiert werdenThese can be discretized approximately as follows become
Damit ergibt sichIn order to surrendered
Durch das Filter entsteht eine Phasenverschiebung. Da jedoch für alle zusammengehörigen Spannungs- und Strommessreihen dieselbe Abtastzeit und Zeitkonstante verwendet werden, ist diese für alle Messreihen identisch und besitzt damit für die Auswertung keine weitere Relevanz. Zudem verlieren die Flanken an Steilheit und Amplitude. Bei der Einstellung der Zeitkonstante T musste deshalb ein Optimum zwischen der Eliminierung des Rauschens und der Erhaltung der charakteristischen Schaltverläufe gefunden werden.By the filter creates a phase shift. However, as for all related voltage and current measurement series are the same Sampling time and time constant are used, this is for all measurement series identical and thus owns the evaluation no further relevance. In addition, the flanks lose in steepness and amplitude. When setting the time constant T had therefore an optimum between the elimination of noise and conservation the characteristic switching curves are found.
LegendeLegend
-
- x(t)x (t)
- zeitkontinuierliche Regelgrößecontinuous time controlled variable
- y(t)y (t)
- zeitkontinuierliche Stellgrößecontinuous time manipulated variable
- TT
- Zeitkonstante des Proportionalelements mit VerzögerungTime constant of the Proportional element with delay
- T0 T 0
- Abtastzeitsampling
- xk x k
- zeitdiskrete Regelgrößediscrete-time controlled variable
- yk y k
- zeitdiskrete Stellgrößediscrete-time manipulated variable
3.5. Rückwirkungskapazität Crss3.5. Feedback capacitance crss
3.5.1. Bestimmung der Rückwirkungskapazität3.5.1. Determination of the reaction capacity
Sowohl die differentielle Rückwirkungskapazität als auch die Großsignalrückwirkungskapazität wird zunächst für die Ausschaltverläufe bei einem Laststrom von IL = 150 A, einer Zwischenkreisspannung von VDClink = 30 V, einem Gatevorwiderstand RG = 10 Ω und einer Junktiontemperatur von TJ = 25°C ermittelt. Im angesteuerten Zustand betrug die Treiberspannung VDr = 12 V.Both the differential feedback capacitance and the large-signal feedback capacitance are first determined for the turn-off profiles at a load current of I L = 150 A, an intermediate circuit voltage of V DClink = 30 V, a gate resistor R G = 10 Ω and a junction temperature of T J = 25 ° C. , In the driven state, the drive voltage V Dr = 12 V.
Die Ermittlung der Großsignalrückwirkungskapazität erfolgt nach Gleichung (3.9) aus The determination of the large-signal reaction capacity takes place according to equation (3.9)
Die differentielle Rückwirkungskapazität kann näherungsweise auf Basis der Gleichungen (3.3) aus bestimmt werden. Dabei sollte i unter Beachtung der Messpunktdichte möglichst klein gewählt werden, um die Genauigkeit der numerischen Differentiation zu erhöhen. Aufgrund des Messrauschens ist es jedoch mitunter notwendig, i > 1 zu wählen, um numerische Probleme (beispielsweise die Division durch Null) zu verringern.The differential feedback capacity can be approximated on the basis of equations (3.3) be determined. In this case, i should be chosen as small as possible, taking into account the measuring point density, in order to increase the accuracy of the numerical differentiation. However, due to the measurement noise, it is sometimes necessary to choose i> 1 to reduce numerical problems (for example, division by zero).
Die
Gleichungen zeigen, dass zunächst vereinfachend davon ausgegangen
wird, dass die Millerkapazität lediglich von der Drain-Gate-Spannung
abhängig ist. Zwischen dem Drain- und dem Gateanschluss
kann dann mit den Gleichungen (3.22) und (3.23) die kapazitive Wirkung
der gesamten Messschaltung zwischen den beiden Schalterelektroden
während des Schaltens bestimmt werden. Die Drain-Gate-Spannung
wird entsprechend der Maschenregel für jeden Messpunkt
bestimmt:
Zur Abschätzung der Ladung Qr(t) in der Rückwirkungskapazität wurde zuerst die Ladungsänderung zwischen zwei Messpunkten abgeschätzt. Dabei musste beachtet werden, dass Kapazitäten passive Bauelemente sind und darum das Verbraucherpfeilsystem angewendet werden sollte. Da VDG und iG jedoch entgegengesetzt definiert sind, wird der negierte Gatestrom verwendet. Die Ladungsinkremente werden somit wie folgt kalkuliert: To estimate the charge Q r (t) in the reaction capacity, the charge change between two measurement points was first estimated. It was important to note that capacities are passive devices and therefore the consumer arrow system should be used. However, since V DG and i G are oppositely defined, the negated gate current is used. The charge increments are thus calculated as follows:
Die insgesamt bis zum Zeitpunkt tn ins Gate geflossene Ladung QG ergibt sich dann durch numerische Integration aus der Summenfunktion The total charge Q G which has flowed into the gate up to the time t n is then obtained by numerical integration from the summation function
Unter
der Bedingung, dass zum Zeitpunkt tv gilt
In
den
Obwohl
die Messdaten, wie in Abschnitt 3.4. – Messdatenglättung – beschrieben,
geglättet wurden, wirkt sich das verbliebene Rauschen so
stark auf die Qualität der differentiellen Kapazitätskurve
aus, dass bei der weiteren Auswertung abgeschätzt werden
muss, ob die direkte Ermittlung dieser Kennlinie aus den Messdaten
mit vertretbarem Aufwand möglich ist. Es wird deutlich,
dass der Ermittlung, Verarbeitung und Glättung der Messdaten
eine große Bedeutung beigemessen werden sollte, wenn numerisch
differenziert werden muss. In den verschiedenen Darstellungen der
Kapazitätskennlinien (
- 1. Betrachtet
man die
15 und16 , so stellt sich die Frage nach der Ursache für die Zunahme der Kapazität nach einer Änderung der Treiberspannung. - 2. Bei der Ermittlung der Großsignalkapazität entstehen durch Anwendung der Gleichung (3.22) im Spannungsnulldurchgang numerische Probleme, die mitunter durch eine höhere Datenpunktdichte verringert, aber nicht vollständig beseitigt werden können.
- 3. Die spannungsabhängigen Schalterkapazitäten scheinen nicht nur von der Spannung über der Kapazität abhängig zu sein, sondern auch davon, wie das Ausgangskennlinienfeld während der Kommutierung durchlaufen wird. Damit sind die Schalterkapazitäten abhängig von: • dem Gatewiderstand RG, der die Schaltgeschwindigkeit beeinflusst, • dem Drainstrom ID, • der Drain-Source-Spannung VDS bzw. der Zwischenkreisspannung VDClink und • der Gate-Source-Spannung VGS bzw. der Treiberspannung VDr. Diese Feststellung muss bei den weiteren Untersuchungen beachtet werden, da je nach dem, wie stark diese Abhängigkeit ausgeprägt ist, bei der Anwendung der Gleichungen (3.3) und (3.9) ein mehr oder weniger großer Fehler gemacht wird. Diese gehen im übertragenden Sinne davon aus, dass die nichtlineare Rückwirkungskapazität ausschließlich von der Drain-Gate-Spannung abhängig ist. Deshalb muss bei der weiteren Auswertung abgeschätzt werden, ob diese Modellvorstellung (Eine Schalterkapazität wird ausschließlich der Spannung über ihren Anschlüssen beeinflusst.) für den vorliegenden Trench Gate MOSFET ausreichend genau ist.
- 1. Looking at the
15 and16 , the question arises as to the cause of the increase in capacity after a change in the drive voltage. - 2. In the determination of the large signal capacitance, the application of Equation (3.22) at zero voltage causes numerical problems, which can sometimes be reduced by a higher data point density, but can not be completely eliminated.
- 3. The voltage-dependent switch capacitances appear not only to depend on the voltage across the capacitance, but also on how the output characteristic field is traversed during commutation. Thus, the switch capacitances are dependent on: • the gate resistance R G , which influences the switching speed, • the drain current I D , • the drain-source voltage V DS or the intermediate circuit voltage V DClink and • the gate-source voltage V GS or the driver voltage V Dr. This finding must be taken into account in the further investigations, since, depending on how strongly this dependence is pronounced, a more or less large error is made in applying equations (3.3) and (3.9). In the transferring sense, these assume that the nonlinear reaction capacitance depends exclusively on the drain-gate voltage. For this reason, it must be estimated in the further evaluation whether this model concept (a switch capacitance is influenced exclusively by the voltage across its terminals) is sufficiently accurate for the present trench gate MOSFET.
Im folgenden Abschnitt wird die Großsignalkapazität getrennt von der differentiellen Kapazität analysiert, um die Darstellungen möglichst übersichtlich gestalten zu können.in the following section will be the large signal capacity analyzed separately from the differential capacity, To make the representations as clear as possible to be able to.
3.5.2. Abhängigkeit der Rückwirkungskapazität von der Schaltgeschwindigkeit3.5.2. Dependence of the reaction capacity from the switching speed
3.5.2.1. Großsignalrückwirkungskapazität CrssLS(RG)3.5.2.1. Large signal reaction capacity Crss LS (R G )
Die
So
führen die Spannungsabfälle über den
parasitären Elementen, je nach Stromrichtung und Vorzeichen
des Stromanstieges gegenüber der Messspannung, zu einer
größeren oder kleineren Spannung am Chip. Ein
Gefühl für die Größenordnung
der Spannungen VR_G, VL_G,
VR_D und VL_D und
die Beeinflussung der Kapazitäts- und Ladungskurve durch
diese Spannungen sollen
So
wurde für die Kennlinien CrssLS_RG und
QrRG in
Der
Einfluss der Gateinduktivität LG ist
relativ gering und beschränkt sich lediglich auf den Bereich
der Kennlinie, wo der Gatestrom steile Flanken aufweist (vgl.
Für
die Größenordnung des internen Drainwiderstandes
und des Anschlusswiderstandes liegen weder messtechnische Informationen
noch Datenblattinformationen vor. Die Kurve in
Die
Draininduktivität beeinflusst die Kennlinien relativ schwach
in den Bereichen, wo der Drainstrom steile Flanken aufweist (vgl.
Die
korrigierende Auswertung wurde auch für die CrssLS-Kennlinien mit RG =
180 Ω bzw. RG = 330 Ω durchgeführt.
Die Ergebnisse sind in
Der Vergleich verdeutlicht auch, dass es sinnvoll ist, die C-Kennlinie aus Schaltverläufen mit möglichst hohen Gatewiderständen zu ermitteln, insbesondere, wenn keinerlei Informationen über die parasitären Elemente vorhanden sind.Of the Comparison also makes it clear that it makes sense to use the C characteristic from switching characteristics with the highest possible gate resistances to determine, in particular, if no information about the parasitic elements are present.
3.5.2.2. Differentielle Rückwirkungskapazität Crssdiff(RG)3.5.2.2. Differential reaction capacity Crss diff (R G )
Unter
Anwendung der Erkenntnisse des vorherigen Abschnittes kann in diesem
Abschnitt auf eine ausführliche Analyse der Abhängigkeit
der differentiellen Kapazität vom Gatewiderstand RG verzichtet werden. Die
Variante 1version 1
Es ist offensichtlich, dass das Fitten der Kennlinie Qr(VDG) die numerischen Probleme bei der Ermittlung der differentiellen Kapazität beheben wurde. Das Verfahren lässt außerdem die Vermutung zu, dass die gefittete Ladungskennlinie Qr(VDG) auch die Qualität der Großsignalkapazität verbessert. Nachteilig steht dem gegenüber, dass in Abhängigkeit von der Schaltgeschwindigkeit im Bereich der Überspannung mitunter keine eineindeutige Zuordnung vorliegt. Je schneller der Schaltvorgang ist, umso stärker tritt dieser Effekt hervor. Somit muss beim Fitten in diesen Bereichen eine sinnvolle Nährung vorgenommen werden.It is obvious that the fitting of the characteristic Qr (V DG ) would solve the numerical problems in the determination of the differential capacity. The method also allows the assumption that the fitted charge characteristic Qr (V DG ) also improves the quality of the large signal capacity. A disadvantage is the fact that sometimes there is no one-to-one correspondence depending on the switching speed in the area of the overvoltage. The faster the switching process, the stronger this effect will be. Thus, in the fit in these areas, a meaningful nutrition must be made.
Variante 2Variant 2
In Abschnitt 3.2 – Nichtlineare Kapazität – Großsignal- und Kleinsignalkapazität – wurden die Grundlagen zur Ermittlung der Großsignalkapazität und der differentiellen Kapazität erklärt. Demnach ergibt sich nach dem Gleichsetzen der Stromgleichungen (3.2) und (3.10) und entsprechenden Umformungen: Section 3.2 - Nonlinear Capacitance - Large Signal and Small Signal Capacitance - explains the basics for determining large-signal capacity and differential capacitance. Thus, after equating the current equations (3.2) and (3.10) and corresponding transformations, we obtain:
Unter Anwendung dieses Zusammenhangs kann die differentielle Kapazität ermittelt werden. Allerdings würden dieselben numerischen Probleme bei der direkten Differentiation der Ladungskurve auftreten, wenn die Umformung auf Basis der ermittelten CrssLS(VDG)-Kennlinie erfolgen würde. Deshalb muss auch die CrssLS(VDG)-Kennlinie gefittet werden. Vorteil dieser Vorgehensweise ist, dass der Zusammenhang zwischen der Großsignalkapazität und der differentiellen Kapazität verdeutlicht wird. Allerdings ergeben sich beim Fitten der CrssLS(VDG)-Kennlinie dieselben Probleme wie beim Fitten der Qr(VDG)-Kennlinie.Using this relationship, the differential capacitance can be determined. However, the same numerical problems would occur in the direct differentiation of the charge curve, if the conversion would take place on the basis of the determined Crss LS (V DG ) characteristic curve. Therefore, the Crss LS (V DG ) characteristic must also be fitted. Advantage of this approach is that the relationship between the large signal capacity and the differential capacity is clarified. However, fitting the Crss LS (V DG ) characteristic gives the same problems as fitting the Qr (V DG ) characteristic.
Prinzipiell sind die beiden Varianten gleichwertig. Allerdings sind beim Vergleich der ermittelten Kennlinien Abweichungen zu erwarten, die sich dadurch ergeben, dass die Kennlinien durch Polynomapproximation unterschiedlich gut nachbildbar sind. Beim Fitten der CrssLS(VDG)- bzw. der Qr(VDG)-Kennlinie werden die Werte der Polynomkoeffizienten des Polynoms mit Hilfe von TableCurve 2D ermittelt, wobei die Abszisse x der Drain-Gate-Spannung und die Ordinate y der Großsignalkapazität CrssLS bzw. der Ladung Qr entspricht.In principle, the two variants are equivalent. However, deviations are to be expected when comparing the determined characteristic curves, which result from the fact that the characteristic curves can be simulated differently well by polynomial approximation. When fitting the Crss LS (V DG ) or the Qr (V DG ) characteristic, the values of the polynomial coefficients of the polynomial become with the aid of TableCurve 2D, where the abscissa x corresponds to the drain-gate voltage and the ordinate y corresponds to the large-signal capacitance Crss LS or the charge Qr.
Nachfolgend
wird die differentielle Kapazität zunächst bei
einem Gatewiderstand von 330 Ω ermittelt.
Die
Anwendung der Gleichungen (3.3) und (3.23) machen deutlich, dass
es beim Fitten nicht so sehr auf die absoluten Werte der Qr-Kennlinie
ankommt, sondern es viel wichtiger ist, dass die entsprechenden
Anstiege über weite Kennlinienbereiche so gilt wie möglich
nachgebildet werden. Beim Durchlaufen der Qr-Kennlinie während
des Ausschaltens nimmt Qr beständig zu und hat somit einen
positiven Anstieg dQr/dt auch in dem Bereich, wo nicht mehr von
einer eineindeutigen Zuordnung gesprochen werden kann. Die Differentiation der
in
In
Allerdings haben die vorgenommenen Approximationen einen geringen Einfluss auf die differentielle Kapazität. Lediglich der Bereich des Kapazitätsverlaufs in dem die Kapazität kurzzeitig zurückgeht, ist fehlerbehaftet.Indeed the approximations made have little influence on the differential capacity. Only the area the capacity history in which the capacity is short-term is going back, is buggy.
Während die Ermittlung der Crssdiff-Kennlinie für langsame Ausschaltverläufe relativ unkompliziert erscheint, ist das Fitten der schnellen Ausschaltverläufe aufgrund der Spannungsschwingungen nur für bestimmte Bereiche möglich. Im Folgenden werden die beiden Ermittlungsvarianten der Kapazität Crssdiff für einen schnellen Ausschaltvorgang (RG = 10 Ω) noch einmal einander gegenübergestellt.While the determination of the Crss diff characteristic curve for slow turn-off profiles seems relatively straightforward, the fitting of the fast turn-off characteristics due to the voltage oscillations is only possible for certain areas. In the following, the two determination variants of the capacitance Crss diff are again compared with one another for a fast switch-off process (R G = 10 Ω).
Variante 1version 1
Bei
genauer Betrachtung der Crssdiff(VDG)-Kennlinie fällt noch etwas auf,
was das zuvor empfohlene Vorgehen rechtfertigt. Zur Verdeutlichung
zeigt
Durch
diese Maßnahme wird der untere Teil der Kennlinie nach
oben gespiegelt (vgl.
Aus
den
- • Crssdiff(VDG) kann für die lokalen Hoch- und Tiefpunkte der Drain-Gate-Spannung numerisch nicht bestimmt werden, da dort die Gleichungen (3.27) und (3.28) nicht anwendbar ist (Die Division durch Null ist nicht möglich).
- • Die differentielle Kapazität bricht bei schnellen Schaltverläufen nach der Spannungsspitze betragsmäßig zusammen. Dabei liegt während des Schwingens der Spannung das Minimum der differentiellen Kapazität bei VDClink. Bei höheren und niedrigeren Drain-Gate-Spannungen erhöht sich die differentielle Kapazität.
- • Je kleiner die Amplitude der schwingenden Drain-Gate-Spannung wird, umso tiefer liegt das Minimum bis die differentielle Rückwirkungskapazität schließlich im stationären Zustand 0 nF beträgt.
- • Crss diff (V DG ) can not be determined numerically for the local high and low points of the drain-gate voltage, since the equations (3.27) and (3.28) are not applicable there (the division by zero is not possible).
- • The differential capacity collapses according to the peak voltage in the case of fast switching processes. During the swing of the voltage, the minimum of the differential capacitance lies at V DClink . At higher and lower drain-gate voltages, the differential capacitance increases.
- • The smaller the amplitude of the oscillating drain-gate voltage, the lower the minimum until the differential reaction capacitance finally reaches 0 nF in the stationary state.
Variante 2Variant 2
Die
gewonnenen Kenntnisse aus dem Fitten der Ladungskurve werden entsprechend
auf diese Auswertungsvariante übertragen. So wird die CrssLS-Kennlinie bis zur maximalen Drain-Gate-Spannung
gefittet.
Neben
den beschriebenen Varianten 1 und 2 wurde ein weiterer Versuch zur
Ermittlung der differentiellen Kapazität mit RG =
10 Ω durchgeführt. Erhöht man die Zeitkonstante
des PT1-Gliedes, so werden die Messdaten stärker geglättet.
Das bedeutet jedoch auch, dass die Flankensteilheit verloren geht
und die Amplituden fallen (vgl.
3.5.2.3. Zusammenfassung Abschnitt 3.5.2.3.5.2.3. Summary Section 3.5.2.
- • Die Großsignalrückwirkungskapazität ist relativ unabhängig vom Gatewiderstand RG.The large signal feedback capacity is relatively independent of the gate resistance R G.
- • Die Schaltgeschwindigkeit beeinflusst den Bereich der Kennlinie relativ stark, wo durch verschieden starke Anstiege des Drainstromes Überspannungen unterschiedlich stark ausgeprägt werden.• The switching speed affects the range the characteristic relatively strong, where by different strong increases the drain current overvoltages pronounced different degrees become.
- • Der Einfluss der parasitären Widerstände und Induktivitäten auf die aus Messdaten ermittelten Kennlinien ist umso kleiner, je größer der Gatewiderstand ist.• The influence of parasitic resistances and inductances on the characteristic curves determined from measured data the smaller, the greater the gate resistance.
- • Es gibt eine Methode zur messtechnischen Ermittlung des internen Gatewiderstandes.• There is a method for metrological determination of the internal gate resistance.
- • Die Großsignalrückwirkungskapazität kann bei kleinen Gatewiderständen nur bis zum Maximum der Drain-Gate-Spannung durch ein Polynom approximiert werden.• The large signal feedback capacity can only operate at low gate resistances up to the maximum of the drain-gate voltage be approximated by a polynomial.
- • Die Großsignalrückwirkungskapazität kann für sehr große Gatewiderstände mit guter Näherung durch ein Polynom nachgebildet werden.• The large signal feedback capacity can be used for very large gate resistances good approximation can be modeled by a polynomial.
- • Es bleibt die Frage, durch welchen (physikalischen) Effekt bei langsamen Schaltvorgängen der Anstieg der Kapazitätskennlinien nach der Spannungskommutierung und das Zusammenbrechen der differentiellen Kapazität bei kleinen Gatewiderständen nach Erreichen der Spannungsspitze verursacht wird.• The question remains, by which (physical) Effect on slow switching operations, the increase in capacitance characteristics after the voltage commutation and the breakdown of the differential capacitance with small gate resistances after reaching the voltage peak is caused.
- • Zur Ermittlung einer qualitativ hochwertigen differentiellen Rückwirkungskapazität muss entweder die Ladungskurve Qr(VDG) oder die Großsignalrückwirkungskapazität in Abhängigkeit von der Schaltgeschwindigkeit sinnvoll durch ein Polynom approximiert werden.• In order to determine a high-quality differential reaction capacity, either the charge curve Qr (V DG ) or the large-signal reaction capacity as a function of the switching speed must be sensibly approximated by a polynomial.
- • Die differentielle Rückwirkungskapazität lässt sich aus der Großsignalrückwirkungskapazität ableiten.• The differential feedback capacity can be derived from the large signal reaction capacity derived.
- • Auch die differentielle Rückwirkungskapazität ist relativ unabhängig vom Gatewiderstand RG, aber der Einfluss der Schaltgeschwindigkeit auf die Kennlinie im Bereich der Zwischenkreisspannung ist sehr groß.• The differential feedback capacitance is also relatively independent of the gate resistance R G , but the influence of the switching speed on the characteristic in the area of the DC link voltage is very high.
- • Durch eine verstärkte Glättung der Messdaten kann die differentielle Kapazität relativ einfach und genau bestimmt werden.• Due to increased smoothing The measurement data may be relative to the differential capacitance be determined easily and accurately.
3.5.3. Parallelen zwischen Rückwirkungskapazität und MOS-Kapazität3.5.3. Parallels between feedback capacity and MOS capacity
Die Betrachtung der Rückwirkungskapazität in Abhängigkeit von der Schaltgeschwindigkeit hat gezeigt, dass sich die Kapazitäten bei großen positiven Drain-Gate-Spannungen je nach verwendetem Gatewiderstand unterschiedlich verhalten:
- • Die
Großsignalrückwirkungskapazität vergrößert
sich beim langsamen Ausschalten im Zeitverlauf ab einer bestimmten,
vom Gatewiderstand abhängigen positiven Drain-Gate-Spannung
(
33 ). - • Auch bei schnellen Ausschaltverläufen steigt
die Großsignalrückwirkungskapazität nach
der Überspannungsspitze zunächst an, fällt
und steigt dann jedoch mit dem Spannungsschwingen und erreicht denselben
Endwert wie die Kapazitätswerte, die aus den langsamen
Verläufen ermittelt wurden (
33 ). - • Beim Ausschalten steigen die differentiellen Kapazitäten bei positiven Drain-Gate-Spannungen in Abhängigkeit vom Gatewiderstand bei verschiedenen Drain-Gate-Spannungen wieder an.
- • Bei schnellen Ausschaltvorgängen vergrößert sich die differentielle Kapazität Crssdiff nach der Überspannung nicht weiter, sondern liegt während des Einschwingens auf die Zwischenkreisspannung unter der Kennlinie, die bis zur Überspannung ermittelt wurde.
- • Dagegen steigt bei langsamen Ausschaltvorgängen die differentielle Kapazität Crssdiff nach dem Übergang in den waagerechten Bereich ab einer vom verwendeten Gatewiderstand abhängigen positiven Drain-Gate-Spannung wieder an.
- • The large signal feedback capacity increases with the slow turn-off over time from a certain, dependent on the gate resistance positive drain-gate voltage (
33 ). - • Even with fast turn-off characteristics, the large-signal feedback capacitance initially rises after the overvoltage peak, but then drops and then rises with the voltage swing and reaches the same final value as the capacitance values obtained from the slow-running waveforms (
33 ). - • On turn-off, the differential capacitances increase at positive drain-to-gate voltages as a function of gate resistance at different drain-to-gate voltages.
- • In the case of fast switch-off processes, the differential capacitance Crss diff does not increase further after the overvoltage, but lies below the characteristic that was determined up to the overvoltage during the transient to the intermediate circuit voltage.
- • On the other hand, with slow turn-off operations, the differential capacitance Crss diff increases after the overshoot transition in the horizontal range from a dependent of the used gate resistance positive drain-gate voltage again.
Bisher wurde im Rahmen dieser Arbeit auf eine halbleiterphysikalische Betrachtung der Rückwirkungskapazität und auf eine Erläuterung, durch welche Struktur das kapazitive Verhalten verursacht wird, verzichtet. Es stellt sich jedoch die Frage, wodurch die starke Spannungsabhängigkeit der Rückwirkungskapazität hervorgerufen wird und wie die zuvor beschriebenen Effekte zustande kommen.So far was considered in this work on a semiconductor-physical view the reaction capacity and an explanation, which structure causes the capacitive behavior, waived. However, the question arises, causing the strong Voltage dependence of the reaction capacity caused will and how the effects described above come about.
Die
Rückwirkungskapazität wird während des
Schaltens zwischen Gate und Drain ermittelt. Vergleicht man die
MOSFET-Zelle mit Trench Gate (
Liegt
eine Spannung am Gatekontakt an, ist die Gateelektrode mit der Ladung
QG belegt. Der Halbleiter reagiert darauf
mit einer Gegenladung, die durch die Verbiegung des Energiebändermodells
an der Halbleiteroberfläche beschrieben werden kann, denn
Teilchen (Löcher und Elektronen) tendieren dazu, Positionen mit
minimaler Energie bevorzugt einzunehmen. Ausgehend von einem n-Halbleiter
unterscheidet man je nach angelegter Spannung folgende Zustände.
Die entsprechenden Energieverläufe im Bändermodell
für den n-Halbleiter sind in der
1. Anreicherung (accumulation)1. Enrichment (accumulation)
Wird am Gate eine positive Spannung angelegt, so werden Elektronen im Halbleiter in Richtung Gate angezogen und reichern sich dort an. Die Höhe der Ladung hängt von der Oxidkapazität und der angelegten Spannung ab. Die Oxidkapazität, die durch die Schichtfolge Metall – Oxid – Halbleiter gebildet wird, entspricht einem Plattenkondensator und ist spannungsunabhängig: If a positive voltage is applied to the gate, electrons in the semiconductor are attracted towards the gate and accumulate there. The amount of charge depends on the oxide capacity and the applied voltage. The oxide capacity, which is formed by the sequence of layers of metal-oxide-semiconductor, corresponds to a plate capacitor and is voltage-independent:
Im Anreicherungszustand hat der n-dotierte Halbleiter einen Löcherüberschuss auf der Metall-Oxid-Grenzfläche und einen Elektronenüberschuss an der Halbleiteroberfläche. Beide Ladungsschichten sind sehr dünn. Nahezu die gesamte Spannung fällt über der Isolationsschicht ab. Der Spannungsabfall über den geladenen Schichten im Metall und an der Halbleiteroberfläche kann vernachlässigt werden [10]. Die wirkende Kapazität im Anreicherungszustand lässt sich also sehr gut durch zwei dünne Ladungsschichten mit dem dazwischen liegenden Isolator repräsentieren und entspricht somit der Oxidkapazität Cox.In the enrichment state, the n-doped semiconductor has a hole surplus on the metal-oxide interface and an excess of electrons on the semiconductor surface. Both charge layers are very thin. Almost the entire voltage drops over the insulation layer. The voltage drop across the charged layers in the metal and on the semiconductor surface can be neglected [10]. The acting capacity in the enrichment state can thus be represented very well by two thin charge layers with the intervening insulator and thus corresponds to the oxide capacity C ox .
2. Verarmung (depletion)2. depletion
Wird die Gatespannung negativ, so werden die Elektronen von der Grenzschicht weg in den Halbleiter hineingedrängt. Die Gegenladung wird durch die ionisierten Donatoratome gebildet. Dadurch wird an der Isolator-Halbleiter-Grenzschicht eine Verarmungszone erzeugt. Die Ladungsträgerdichte ist jedoch wesentlich geringer als in der Anreicherungszone, da die Dotieratome ortsfest sind. Die an der Gateelektrode beginnenden Feldlinien enden an den ortsfesten Donatorstörstellen des oberflächennahen Siliziums. So entsteht aus der ursprünglich neutralen Halbleiteroberfläche eine oberflächennahe Verarmungszone mit einer spannungsabhängigen Breite dd. Diese Raumladungszone des Halbleiters hat die Kapazität die über die Breite dd von der Spannung Vd über der Raumladungszone bzw. der Verarmungszone abhängt [11]. Es kann also nicht mehr davon ausgegangen werden, dass die gesamte Spannung am Isolator abfällt. Die gesamte MOS-Kapazität setzt sich somit aus der Reihenschaltung der Raumladekapazität und der Oxidkapazität zusammen If the gate voltage is negative, the electrons are forced away from the boundary layer into the semiconductor. The counter charge is formed by the ionized donor atoms. This creates a depletion zone at the insulator-semiconductor interface. However, the charge carrier density is substantially lower than in the enrichment zone, since the doping atoms are stationary. The field lines beginning at the gate electrode terminate at the stationary donor impurities of the near-surface silicon. This results in the surface of the originally neutral semiconductor surface becoming depleted near the surface with a voltage-dependent width d d . This space charge zone of the semiconductor has the capacity which depends on the width d d on the voltage V d over the space charge zone or the depletion zone [11]. It can therefore no longer be assumed that the entire voltage across the insulator drops. The total MOS capacitance is thus composed of the series connection of the space charge capacity and the oxide capacity
3. Inversion (inversion)3. Inversion (inversion)
Fällt die Gatespannung weiter, so dehnt sich die Verarmungszone weiter aus und die Raumladekapazität und damit auch die MOS-Kapazität sinken. Bei höheren negativen Gatespannungen können die ionisierten Donatoratome nicht alleine die Gategegenladung aufbringen. Daher werden freibewegliche Löcher, die Minoritätsladungsträger des n-Halbleiters, an die Oberfläche gezogen, um die Gateladung zu kompensieren. Die Anzahl der Minoritätsladungsträger kann so groß werden, dass ihre Anzahl größer wird als die der Majoritätsladungsträger. Dann spricht man von Inversion, da die Oberflächenschicht des Halbleiters invertiert und damit zum p-Typ wird. Im Bändermodell wird dies dadurch verdeutlicht, dass das Ferminiveau in diesem Bereich unterhalb der Bandmitte Ei liegt. In der Inversion, insbesondere bei starker Inversion, liegt jetzt ein ähnlicher Fall wie bei der Anreicherung vor, da die Ladungsträgerdichte wieder relativ hoch ist. Die Kapazität der Verarmungszone im Inversionsbereich steigt durch die Minoritätsladungsträger stark an, sodass im stationären Zustand wieder die Oxidkapazität der gesamten MOS-Kapazität entspricht. (Beim plötzlichen Anlegen großer negativer Spannungen kann diese Inversionsschicht, bedingt durch die relativ langsame Zufuhr der Minoritätsladungsträger (Löcher), nicht sofort erfolgen. Deshalb tritt an der Oberfläche zunächst der Zustand der tiefen Verarmung auf.)If the gate voltage continues to fall, the depletion zone continues to expand and the space charge capacity and thus also the MOS capacitance decrease. At higher negative gate voltages, the ionized donor atoms can not alone apply the gate counter charge. Therefore, floating holes, the minority carriers of the n-type semiconductor, are pulled to the surface to compensate for the gate charge. The number of minority carriers can become so large that their number becomes larger than that of the majority carriers. Then one speaks of inversion, since the surface layer of the semiconductor is inverted and thus becomes p-type. In the band model, this is illustrated by the fact that the Fermi level in this area is below the band center E i . Inversion, especially in strong inversion, now has a similar case to enrichment because the charge carrier density is again relatively high. The capacity of the depletion zone in the inversion region increases sharply by the minority charge carriers, so that in the steady state again corresponds to the oxide capacity of the entire MOS capacity. (When large negative voltages are suddenly applied, this inversion layer can not be instantaneous, due to the relatively slow supply of minority carriers (holes), so the state of deep depletion first appears on the surface.)
Die
Charakterisierung eines MOS-Kondensators erfolgt normalerweise durch
eine C/V-Messung. Dabei wird der Verlauf der Kleinsignalkapazität
bei verschiedenen Anregungsfrequenzen über der anliegenden Gleichspannung
an der MOS-Struktur aufgezeichnet.
Hohe positive Vorspannungen ziehen Majoritätsladungsträger zur Grenzschicht hin. Die geladenen Schichten sind dünn und nahe dem Isolator. Es ergibt sich eine Kleinsignalkapazität nahe dem Wert Cox. Es gilt CMOS ≈ Cox (da Cd >> Cox). Die Majoritätsladungsträger sind die einzigen Ladungsträger, die sich hierbei bewegen. Sie können Raum- Ladungsstörungen innerhalb weniger Vielfache der dielektrischen Relaxationszeit τ (Umladezeitkonstante/charakteristische Rückkehrzeit in den Gleichgewichtszustand/Ladungsträgerlebensdauer) abbauen, sind im Anreichungs- und Verarmungsbereich vorwiegend an der Ladungsänderung beteiligt und reagieren schnell auf Anregungsfrequenzen bis zu einigen MHz. Aus diesem Grund liegen die Hoch- und Niederfrequenzkurven in diesem Bereich nahe beieinander. Wird die Gleichspannung negativer, gelangt der Kondensator langsam in den Bereich der Inversion und es bildet sich eine Verarmungszone. Solange die Anzahl der Minoritätsladungsträger an der Grenzschicht zu vernachlässigen ist (d. h. in der Verarmung), hängt die Änderung der gespeicherten Ladung lediglich von der Ausdehnung und dem Zusammenziehen der Verarmungszone als Folge der anliegenden Kleinsignalwechselspannung ab. Der MOS-Kondensator besteht in diesem Bereich aus der Oxidkapazität Cox in Serie mit der Kapazität der Verarmungszone Cd (vgl. Gleichung 3.30). Cox ist konstant, aber Cd ändert sich mit dem an der Verarmungszone anliegenden Potential (Cd ≤ Cox). Mit fallender Gatespannung werden Cd und damit auch CMOS kleiner, da sich die Verarmungszone ausweitet, bis sich eine Inversionsschicht ausbildet. Bei starker Inversion bleibt die Weite der Verarmungszone und die über ihr abfallende Spannung Vd für unterschiedliche Gatevorspannungen nahezu konstant. Für hochfrequente bzw. niederfrequente Anregungen erhält man in diesem Bereich verschiedene Kapazitätsverläufe, da hauptsächlich die Minoritätsladungsträger den Ladungshaushalt bestimmen. Um die Gleichgewichtseinstellung zu erreichen, brauchen sie viel mehr Zeit als die Majoritätsladungsträger, da für die Minoritätsladungsänderung viele Prozesse, wie Volumengeneration und Transport durch Verarmungs- und Anreicherungsgebiete, verantwortlich sein können. Nur wenn die Einstellzeit (Änderung der Spannung und Frequenz) zur jeweiligen Erreichung der Gleichgewichtswerte ausreicht, nimmt die Inversionskapazität berechenbare Werte an. [12] Erfolgt die Spannungsänderung jedoch im Vergleich zur Einstellzeit zu schnell, so erreichen die Minoritäten nicht ihre Gleichgewichtswerte. Sie sind nur zum Teil oder gar nicht an der Umladung beteiligt. Die Inversionskapazität wird also frequenzabhängig:
- Niederfrequenz (< 100 Hz): Die Löcher in der Inversionsschicht können dem Verlauf der Wechselspannung folgen. Die Kleinsignalkapazität steigt wie im Anreicherungszustand auf den Wert von Cox an.
- Hochfrequenz (>> 100 Hz): Die Anzahl der Löcher in der Inversionsschicht kann sich nicht schnell genug ändern, die gemessene MOS-Kapazität bleibt auf ihrem Minimalwert. Die MOS-Kapazitätskurve und damit der elektronische Zustand der Halbleiteroberfläche hängen beim realen Kondensator stark von weiteren Einflüssen ab: – Ladungen, die sich in der Umgebung der Isolator-Halbleitergrenzfläche befinden und – der Metall-Halbleiter-Austrittsarbeit.
- Low frequency (<100 Hz): The holes in the inversion layer can follow the course of the AC voltage. The small-signal capacity increases to the value of Cox as in the enrichment state.
- High frequency (>> 100 Hz): The number of holes in the inversion layer can not change fast enough, the measured MOS capacitance remains at its minimum value. The MOS capacitance curve and thus the electronic state of the semiconductor surface are strongly dependent on further influences in the real capacitor From: - charges that are in the vicinity of the insulator-semiconductor interface and - the metal-semiconductor work function.
Diese Einflüsse führen zu einer Verschiebung der C-V-Kennlinie gegenüber dem idealen Wert bei VG = 0 und damit zur Existenz einer Bandverbiegung im spannungslosen Zustand. [11] Sie können aber auch elektrische Instabilitäten der MOS-Struktur hervorrufen, die sich im Wesentlichen in Form von Hysteresen des C-V-Verlaufs äußern. Die Verhältnisse des MOS-Kondensators lassen sich natürlich nicht direkt auf die Rückwirkungskapazität des vorliegenden Trench Gate MOSFETs übertragen. Zum einen hat jeder MOSFET mehrere Halbleiterschichten unterschiedlicher Dotierung, die an die Oxidschicht grenzen und somit einen Beitrag zur Gategegenladung leisten, und zum anderen liegen nicht ausreichend Informationen über das verwendete Bauelement, beispielsweise über den geometrischen Chipaufbau, vor. Es ist anzunehmen, dass neben der reinen MOS-Kapazität noch andere Kapazitäten die Rückwirkungskapazität beeinflussen. Auf eine genauere Analyse wird jedoch an dieser Stelle verzichtet, da das Ziel dieser Arbeit nicht die Betrachtung der Halbleiterphysik ist. Auch ohne genauere Untersuchungen lassen sich die beschriebenen Zustände der MOS-Kapazität auf das beobachtete Ausschaltverhalten der Kapazität zwischen dem Drain- und dem Gatekontakt während des Schaltens übertragen.These influences lead to a shift of the CV characteristic with respect to the ideal value at V G = 0 and thus to the existence of a band bending in the de-energized state. [11] However, they can also cause electrical instabilities in the MOS structure, which are essentially in the form of hystereses of the CV history. Of course, the ratios of the MOS capacitor can not be directly transferred to the feedback capacitance of the present trench gate MOSFET. On the one hand, each MOSFET has a plurality of semiconductor layers of different doping, which adjoin the oxide layer and thus contribute to the gate counter charge, and, on the other hand, there is insufficient information about the component used, for example about the geometric chip structure. It can be assumed that, in addition to the pure MOS capacitance, other capacities also influence the retroaction capacity. However, a more detailed analysis is omitted here, since the aim of this work is not the consideration of semiconductor physics. Even without further investigation, the described states of the MOS capacitance can be transferred to the observed turn-off behavior of the capacitance between the drain and the gate contact during the switching.
In
Abschnitt 3.2. – Nichtlineare Kapazität – Großsignal-
und Kleinsignalkapazität – wurde gezeigt, dass sich
die Kleinsignalkapazitäten und die differentiellen Kapazitäten
im Arbeitspunkt bei sonst gleichen Bedingungen entsprechen. Diese
Bedingungsgleichheit ist aufgrund der verschiedenen Messverfahren
nicht gegeben. Trotzdem ist unter Beachtung der Eigenschaften des
realen MOS-Kondensators ein ähnliches Verhalten feststellbar,
wenn man die C/V-Kurven in
In
den Kennlinien der differentiellen Rückwirkungskapazität
ist deutlich der Verarmungsbereich zu erkennen. Da in diesem Bereich
hauptsächlich die Majoritätsladungsträger
elektrische Ungleichgewichte ausgleichen, ist entsprechend der zuvor
erläuterten Theorie keine Abhängigkeit von der
Schaltgeschwindigkeit zu erwarten und auch nicht festzustellen (vgl.
In weiterführenden Untersuchungen sollte festgestellt werden, ob eine Funktion bestimmt werden kann, die in Abhängigkeit vom Spannungsanstieg den Anstieg der differentiellen Rückwirkungskapazität im Inversionsbereich beschreibt und in den vorliegenden Simulator integriert werden kann. Frequenzabhängige Kennlinien sind für die genaue Simulation von Schaltvorgängen nicht geeignet, da in den zeitabhängigen Kennlinien eine Vielzahl von Frequenzen enthalten ist. Durch Laplacetransformation aus der zeitabhängigen Kennlinie ist ein breites Spektrum von frequenzabhängigen Kennlinien bestimmbar. Deshalb sollte in weiterführenden Arbeiten auch überprüft werden, ob die aus der Zeitmessung ermittelten und durch Laplacetransformation in frequenzabhängige Kennlinien umgewandelten Funktionen in guter Näherung den frequenzabhängigen Kleinsignalkennlinien entsprechen. Sollte dies der Fall sein, könnte eine Untersuchung durchgeführt werden, die in Abhängigkeit von der Pulsperiode und dem Tastverhältnis einen allgemeinen analytischen Zusammenhang liefert, der die Umwandlung vom Frequenzbereich in den Zeitbereich ermöglicht. Der entstehende Untersuchungsaufwand kann damit gerechtfertigt werden, dass die Kleinsignalkapazitätsbestimmung mit den entsprechenden Messgeräten wesentlich schneller ist, als die aufwendige Auswertung der Messdaten zur Ermittlung der Kapazitätskennlinien.In further investigations it was to be determined whether a function can be determined which, depending on the voltage increase, increases the increase of the differential reaction capacity in the In version range and can be integrated into the present simulator. Frequency-dependent characteristics are not suitable for the exact simulation of switching operations, since the time-dependent characteristic curves contain a multiplicity of frequencies. By Laplace transformation from the time-dependent characteristic, a broad spectrum of frequency-dependent characteristics can be determined. For this reason, it should also be checked in further work whether the functions derived from the time measurement and converted into frequency-dependent characteristic curves by laplace transformation correspond to a good approximation to the frequency-dependent small-signal characteristics. If so, an investigation could be made which provides a general analytic context, depending on the pulse period and duty cycle, that allows conversion from the frequency domain to the time domain. The resulting investigation effort can be justified by the fact that the small signal capacity determination with the corresponding measuring devices is much faster than the complex evaluation of the measured data to determine the capacitance characteristics.
3.5.4. Vergleich der Rückwirkungskapazität beim Ein- und Ausschalten3.5.4. Comparison of the reaction capacity when switching on and off
Beim
Ein- und Ausschalten eines Schalters wird das Ausgangskennlinienfeld
aufgrund der in Kapitel 2 beschriebenen Effekte verschiedenartig
durchlaufen. (Die entsprechende schematische Darstellung zeigt
Zur
Untersuchung dieses Phänomens wurden weitere Messverläufe
aufgenommen, die in
Eine
mögliche Deutung von
Deshalb
wurden dieselben Schaltverläufe noch einmal untersucht
und die Messdaten so modifiziert, dass der Gatestrom in bestimmten
Bereichen auf Null gesetzt wurde. Die Ergebnisse und die zugehörigen Messdaten
mit Gatestrom sind in den Abbildungen
Die
Ergebnisse, die sich nach der Offsetkorrektur des Gatestromes IG ergeben, lassen vermuten, dass die Beobachtung,
zum Einschalten sei weniger Gateladung notwendig als zum Ausschalten,
höchstwahrscheinlich auf Messfehler zurückzuführen
ist. Es muss an dieser Stelle noch dokumentiert werden, dass die Offsetkorrektur
der beiden Schaltverläufe verschieden ist. So wurde für
den in
In
den Diagrammen
Anhand
der verbesserten Auswertung in
- • Die Großsignalrückwirkungskapazitätskennlinien unterscheiden sich beim Ein- und Ausschalten voneinander.
- • In den stationären Endpunkten entsprechen die Großsignalkapazitäten beim Ein- und Ausschalten einander.
- • Die Ausschaltkennlinie liegt während des Schaltvorganges bei negativen Drain-Gate-Spannungen über und bei hohen positiven Drain-Gate-Spannungen unter der Einschaltkennlinie.
- • Je nachdem, wofür die Kapazitätskennlinie verwendet werden soll, muss abgeschätzt werden, ob eventuell ein Mittelwert zwischen den Ein- und Ausschaltkennlinien gebildet werden kann oder sowohl die Ein- als auch die Ausschaltkennlinie benötigt wird. Denkbar ist auch, dass beispielsweise die Verwendung der Ausschaltkennlinie eine ausreichende Genauigkeit bei der simulativen Abschätzung der Schaltverluste liefert. Durch simulative Untersuchungen können Antworten auf diese Fragen gefunden werden. Sie werden ansatzweise in Abschnitt 4.3. – Untersuchungen der Kapazitätskennlinien in einem Arbeitspunkt – durchgeführt.
- • The large signal feedback capacity characteristics are different when turned on and off.
- • In the stationary endpoints, the large signal capacities on switching on and off correspond to each other.
- • The switch-off characteristic is at negative drain-gate voltages during the switching process and below the switch-on characteristic at high positive drain-gate voltages.
- • Depending on what the capacitance characteristic is to be used for, it must be estimated whether an average value may be formed between the switch-on and switch-off characteristics or whether both the switch-on and switch-off characteristics are required. It is also conceivable that, for example, the use of the switch-off characteristic provides sufficient accuracy in the simulative estimation of the switching losses. Through simulative investigations, answers to these questions can be found. They are gradually used in section 4.3. - Examinations of the capacity curves at one operating point - carried out.
Die Verläufe der Ladungskurve Qr und der Kapazitätskennlinien CrssLS, die sich nach der Offsetkorrektur des Gatestromes ergeben, verdeutlichen, dass sich die differentiellen Kapazitäten während des Ein- und Ausschaltens voneinander unterscheiden. Die differentielle Kapazität ist aufgrund der vereinfachten zugehörigen Stromgleichung für die Simulation besser geeignet. Trotzdem wird an dieser Stelle zunächst auf die Bestimmung dieser Kennlinie für das Ein- und Ausschalten verzichtet. Die Ermittlung wird jedoch gegebenenfalls in Abschnitt 4.3. – Untersuchungen der Kapazitätskennlinien in einem Arbeitspunkt – für den gewählten Arbeitspunkt nachgeholt.The curves of the charge curve Qr and the capacitance characteristics Crss LS , which result after the offset correction of the gate current, illustrate that the differential capacitances differ during switching on and off. The differential capacitance is more suitable for the simulation due to the simplified associated current equation. Nevertheless, at this point, the determination of this characteristic for switching on and off is initially dispensed with. However, the determination will be made in Section 4.3. - Examinations of the capacity curves at one operating point - made up for the selected operating point.
3.5.5. Abhängigkeit der Rückwirkungskapazität von der Temperatur3.5.5. Dependence of the reaction capacity from the temperature
Kennwerte
von Halbleitern sind bekanntlich temperaturabhängig. Da über
die Kapazität Crss die Schaltverluste stark beeinflusst
werden, vergleicht
Folgendes
Resümee kann aus den Abbildungen
- • Die Rückwirkungskapazitätskennlinie ist beim Ein- und beim Ausschalten abhängig von der Junktiontemperatur Tj. So liegt die Rückwirkungskapazitätskennlinie von höheren Temperaturen beim Ein- und Ausschalten über der entsprechenden Kennlinie bei niedrigeren Temperaturen. Die Schaltverluste des MOSFET steigen demnach mit der Temperatur.
- • Der Abstand der Kennlinien ist nicht konstant. So sind die Abweichungen der Kennlinien für negative und kleine positive Drain-Gate-Spannungen am stärksten. Bei höheren Drain-Gate-Spannungen nähern sich die Kapazitätskennlinien einander an.
- • Die charakteristische Form der Kennlinie wird durch die Temperatur jedoch nicht verändert.
- • Die Abbildung
76 bestätigt auch, dass die Stromkommutierungsgeschwindigkeit und die Millerspannung beim Ausschalten durch die Temperatur beeinflusst werden, da sich die „Drain-Gate-Überspannungsspitzen" für die beiden Kurven um einige Volt unterscheiden.
- • The reaction capacity characteristic curve depends on the junction temperature T j when switching on and off. Thus, the reaction capacity characteristic curve of higher temperatures during switching on and off is above the corresponding characteristic curve at lower temperatures. The switching losses of the MOSFET accordingly increase with the temperature.
- • The distance of the characteristic curves is not constant. The deviations of the characteristic curves are the strongest for negative and small positive drain-gate voltages. At higher drain-gate voltages, the capacitance characteristics approximate each other.
- • The characteristic shape of the characteristic is not changed by the temperature.
- • The illustration
76 also confirms that the current commutation rate and miller voltage are affected by the temperature when turned off, as the "drain-gate overvoltage tips "for the two curves differ by a few volts.
Die
Abbildungen
Fasst man die Erkenntnisse in Richtlinien zur Messung der Rückwirkungskapazität zusammen, so muss festgestellt werden, dass die Kennlinie aus dynamischen Messungen der Temperatur ermittelt werden sollte, die für Applikationsschaltungen des Schalters typisch sind. Trotz der auftretenden Unterschiede muss jedoch angemerkt werden, dass die Abweichungen der Kennlinien für ein weites Temperaturspektrum relativ gering sind. Inwiefern sie aus Sicht der Verluste sowie Strom- und Spannungstransienten eine Rolle spielen, sollte bei Bedarf in weiterführenden Untersuchungen simulativ überprüft werden. Die Abhängigkeit der Großsignalrückwirkungskapazität von der Temperatur impliziert, dass auch die Kapazität Crssdiff von der Temperatur abhängig ist. Da das verwendete Schaltermodell Temperaturveränderungen der nicht berücksichtigt, wird auf die Ermittlung von differentiellen Kapazitäten für verschiedene Temperatur verzichtet. Alle Parameter des Modells sollten bei der Temperatur ermittelt werden, die anschließend simuliert werden soll. Die Bestimmung der differentiellen Kapazität kann nach den in Abschnitt 3.5.2.2. – Differentiele Rückwirkungskapazität Crssdiff(RG) – vorgestellten Methoden erfolgen.Summarizing the findings in Guidelines for Measuring Reaction Capacitance, it should be noted that the characteristic should be determined from dynamic temperature measurements typical of switch application circuitry. Despite the differences that occur, however, it must be noted that the deviations of the characteristic curves for a wide temperature spectrum are relatively small. The extent to which they play a role from the point of view of losses as well as current and voltage transients should be checked simulatively in further investigations if necessary. The dependence of the large signal reaction capacity on the temperature implies that the capacitance Crss diff also depends on the temperature. Since the switch model used does not take temperature changes into account, the determination of differential capacitances for different temperatures is dispensed with. All parameters of the model should be determined at the temperature to be subsequently simulated. The determination of the differential capacitance may be carried out according to the methods described in Section 3.5.2.2. - Different reaction capacity Crss diff (R G ) - methods presented.
3.5.6. Abhängigkeit der Rückwirkungskapazität vom Laststrom3.5.6. Dependence of the reaction capacity from the load current
Wie
und wo das Ausgangskennlinienfeld während des Schaltens
durchlaufen wird, ist abhängig vom Laststrom IL.
Da deshalb anzunehmen ist, dass sich die Rückwirkungskapazitätskennlinien
verschiedener Laststromstärken uriterscheiden, wird in
diesem Abschnitt das Verhalten der Kennlinien in Abhängigkeit
vom Laststrom untersucht. Dabei wird von langsamen Schaltverläufen
mit einem Gatewiderstand RG = 180 Ω ausgegangen,
weil dann die die Auswertung erschwerenden Schwingungen zwischen
den parasitären Elementen weitestgehend gedämpft
sind.
- • Die Großsignalrückwirkungskapazitätskennlinie ist sowohl beim Ein- als auch beim Ausschalten relativ unabhängig von der Lastromstärke IL.
- • The large signal feedback capacity characteristic is relatively independent of the load current I L both when switching on and off.
Zu den Einschaltkennlinien:To the switch-on characteristics:
- • Während des Einschaltens wird die Kennlinie von rechts nach links durchlaufen.• During power up the characteristic is traversed from right to left.
- • Die korrigierten Einschaltkennlinien lassen im Gegensatz zu den nicht korrigierten Kennlinien keine Tendenz zu einer Verringerung der Kapazitätswerte bei kleineren Laststromstärken erkennen. Vermutlich sind die Abweichungen zwischen den Kennlinien auf statistische Schwankungen bzw. auf numerische Probleme in der Nähe von VDG = 0 V zurückzuführen. Weitere Untersuchungen sind in jedem Fall ratsam, um genauere Aussagen machen zu können.• The corrected switch-on characteristics, in contrast to the non-corrected characteristic curves, show no tendency to reduce the capacitance values at lower load currents. Presumably, the deviations between the characteristics are due to statistical fluctuations or to numerical problems in the vicinity of V DG = 0 V. Further investigations are always advisable in order to be able to make more precise statements.
-
• Bei höheren Drain-Gate-Spannungen kann jedoch
scheinbar davon ausgegangen werden, dass die Spannung, ab der die
Kennlinie ansteigt, abhängig von der Laststromstärke
ist. So steigt beispielsweise die Kennlinie CrssLS_150A bei
einer kleineren Drain-Gate-Spannung an als die Kennlinie CrssLA_10A. Dieser „Knickpunkt" in den
Kennlinien zeigt das Ende der Stromkommutierung an und damit auch
eine starke Veränderung im Anstieg der Drain-Gate-Spannung.
So ist der Anstieg der Drain-Gate-Spannung während der Stromkommutierung
wesentlich geringer als während der Spannungskommutierung
(vgl. Abbildungen
84 und85 ). Entsprechend des in Abschnitt 3.5.3. – Parallelen zwischen der Rückwirkungskapazität und der MOS-Kapazität – erläuterten Verhaltens der MOS-Kennlinie bei hoch- und niederfrequenten Messungen im Inversionsbereich, erklärt sich so auch das beobachtete Ansteigen der Kennlinie in diesem Punkt. Beurteilt man jedoch den untersuchten Stromstärkenbereich, so ist fraglich, ob eine Abweichung der Kennlinien um 0,5 nF bei der gegebenen Messgenauigkeit vernachlässigbar ist.• At higher drain-gate voltages, however, it can be assumed that the voltage at which the characteristic curve increases depends on the load current. For example, the Crss LS_150A characteristic increases at a lower drain-gate voltage than the Crss LA_10A characteristic. This "break point" in the characteristic curves indicates the end of the current commutation and thus also a strong change in the rise of the drain-gate voltage, so that the rise of the drain-gate voltage during the current commutation is much lower than during the voltage commutation (cf. pictures84 and85 ). As described in section 3.5.3. - Parallelism between the feedback capacitance and the MOS capacitance - explained behavior of the MOS characteristic with high and low frequency measurements in the inversion range, explains also so the observed increase in the characteristic curve in this Point. However, if one evaluates the investigated current intensity range, it is questionable whether a deviation of the characteristic curves by 0.5 nF is negligible given the measuring accuracy.
Zu den Ausschaltkennlinien:To the switch-off characteristics:
- • Während des Ausschaltens wird die Kennlinie von links nach rechts durchlaufen.• During turn-off The characteristic is traversed from left to right.
- • Die drei Kennlinien sind für weite Bereiche nahezu identisch.• The three characteristics are for wide ranges almost identical.
- • Für negative Drain-Gate-Spannungen ist eine Tendenz zur Verringerung der Kapazitätswerte bei höheren Stromstärken zu erkennen. Allerdings lässt sich in diesem Bereich eine Annäherung der Kennlinien bei Verringerung des parasitären Drainwiderstandes konstatieren, ohne dass sich der Abstand der Kennlinien in den anderen Bereichen verändert. Ohne weiterführende Untersuchungen ist es also schwer abzuschätzen, ob hier wirklich eine Abhängigkeit vorliegt oder die parasitären Elemente nicht genau genug abgeschätzt wurden bzw. lediglich statistische Abweichungen zu beobachten sind.• For negative drain-gate voltages, one is Tendency to reduce the capacitance values at higher currents to recognize. However, in this area can be a Approximation of the characteristics with reduction of the parasitic Determine drain resistance, without changing the distance of the characteristics changed in the other areas. Without continuing Investigations are so hard to estimate, whether here really there is a dependency or the parasitic Elements were not estimated accurately enough or merely Statistical deviations are observed.
-
• Dieses Argument gilt jedoch nicht für hohe
Drain-Gate-Spannungen. Auch beim Ausschalten lassen sich hier bei
unterschiedlichen Laststromstärken verschiedene Drainstromanstiege
feststellen, die die Kennlinien entsprechend beeinflussen. Allerdings
zeigt sich zeitlich gesehen gegenüber den Einschaltverläufen
ein entgegengesetzter Effekt. Die Drain-Gate-Spannungstransienten
bleiben bei höheren Stromstärken infolge der größeren Überspannungen
während der Stromkommutierung länger groß genug,
um ein Ansteigen der Kapazitätskennlinie hinauszuzögern
(vgl.
86 und87 ).• This argument does not apply to high drain-gate voltages. Even when switching off different drain current gradients can be detected here at different load currents, which influence the characteristics accordingly. However, in terms of time compared to the switch-on shows an opposite effect. The drain-gate voltage transients remain at high currents due to the larger overvoltages during Stromkommutierung longer enough to delay an increase in the capacitance characteristic (see.86 and87 ).
Fasst man die neuen Erkenntnisse in Richtlinien zur Messung der Rückwirkungskapazität zusammen, so lässt sich feststellen:
- 1. Aus verlusttechnischer Sicht spielen die Ausschaltvorgänge eine größere Rolle. Da sich die Kennlinien beim Ein- und Ausschalten unterscheiden, sollten sie aus einem Ausschaltvorgang bestimmt werden.
- 2. Abhängigkeiten von der Laststromstärke ergeben sich vor allem im Bereich höherer Drain-Gate-Spannungen. Da die Spannungs- und Stromkommutierung beim Ausschalten im Wesentlichen mit Erreichen der Überspannungsspitze abgeschlossen ist, sollte die Kennlinie in diesem Bereich möglichst genau für den Nennstrom unter Berücksichtigung der parasitären Elemente bestimmt werden, da bei kleineren Strömen geringere Überspannungen erreicht werden.
- 3. Sind keine Information zu den parasitären Elementen vorhanden bzw. ableitbar, so empfiehlt sich die Ermittlung bei kleinen Stromstärken, da der Einfluss der im Leistungskreis liegenden parasitären Elemente geringer ist. Möglicherweise ist dann jedoch eine Abschätzung der Kennlinie bis zu einer maximal möglichen Überspannung notwendig.
- 4. Mit diesen Vereinfachungen genügt die Ermittlung der Kennlinie aus der Messing eines Betriebszustandes.
- 1. From a loss point of view, the switch-off processes play a greater role. Since the characteristics differ when switching on and off, they should be determined from a switch-off process.
- 2. Dependencies on the load current intensity are especially in the range of higher drain-gate voltages. Since the voltage and current commutation when switching off is essentially completed when the overvoltage peak is reached, the characteristic in this range should be determined as accurately as possible for the rated current, taking into account the parasitic elements, since smaller overvoltages are achieved with smaller currents.
- 3. If no information on the parasitic elements is present or derivable, then the determination is recommended at low currents, since the influence of parasitic elements in the power circuit is lower. However, it may then be necessary to estimate the characteristic curve up to a maximum possible overvoltage.
- 4. With these simplifications, the determination of the characteristic curve from the brass of an operating state is sufficient.
Die Zusammenfassung macht deutlich, dass in den Bereichen, in denen die Ermittlung der Großsignalkapazität empfohlen wird, auch die differentielle Kapazität nahezu konstant ist. Deshalb wird auf eine Untersuchung der differentiellen Kapazität verzichtet, denn sie entspricht der Rückwirkungskapazität, die bei RG = 180 Ω in Abschnitt 3.5.2.2. – Differentielle Rückwirkungskapazität Crssdiff(RG) – bestimmt wurde.The summary makes it clear that in the areas in which the determination of the large signal capacity is recommended, the differential capacitance is also almost constant. Therefore, a study of the differential capacitance is dispensed with, since it corresponds to the retroactivity, which at R G = 180 Ω in Section 3.5.2.2. - Differential reaction capacity Crss diff (R G ) - was determined.
3.5.7. Abhängigkeit der Rickwirkungskapazität von der Zwischenkreisspannung3.5.7. Dependence of the Rickwirkungskapazität from the DC link voltage
Da
die Drain-Gate-Spannung im eingeschalteten Zustand ungefähr
der Treiberspannung VDr(on) und im ausgeschalteten
Zustand der Zwischenkreisspannung VDClink entspricht,
ist anzunehmen, dass die Rückwirkungskapazitätskennlinien
von der Zwischenkreisspannung beeinflusst werden. Deshalb wird in
diesem Abschnitt das Verhalten der Kennlinien in Abhängigkeit
von der Spannung VDClink untersucht, wobei
zahlreiche Aussagen getroffen werden, die denen im vorherigen Abschnitt ähnlich
sind. Es soll dabei wieder von langsamen Schaltverläufen
mit einem Gatevorwiderstand RG = 180 Ω ausgegangen
werden, weil hier die die Auswertung erschwerenden Schwingungen
weitestgehend gedämpft sind.
Es
ist zu vermuten, dass die Beachtung der parasitären Elemente
keinen wesentlichen Einfluss auf die Abstände zwischen
den Kennlinien hat, da die Spannungsabfälle über
den internen Induktivitäten und Widerständen von
der Drain- und Gatestromstärke und der Geschwindigkeit
der Stromkommutierung abhängig sind. Ob die Spannung VDClink
nicht vielleicht einen Einfluss auf den Bereich der Spannungskommutierung
und damit auf die Kennlinien hat, sollte dennoch untersucht werden.
Deshalb stellen
Folgendes
Resümee ergibt sich aus den Abbildungen
- • Der Definitionsbereich der Kennlinie ist (natürlich) abhängig von der Zwischenkreisspannung. So hat die Großsignalrückwirkungskapazitätskennlinie neben unabhängigen Kennlinienabschnitten sowohl beim Ein- als auch beim Ausschalten Abschnitte, die durch die Zwischenkreisspannung VDClink – aufgrund des typischen nieder- und hochfrequenten Verhaltens von MOS-Kapazitäten – relativ stark beeinflusst werden.
- • The definition range of the characteristic curve is (of course) dependent on the DC link voltage. Thus, in addition to independent characteristic sections, the large-signal feedback capacitance characteristic has relatively strong influences both on and off switching due to the DC link voltage VDClink due to the typical low-frequency and high-frequency behavior of MOS capacitors.
Zu den Einschaltkennlinien:To the switch-on characteristics:
- • Während des Einschaltens wird die Kennlinie von rechts nach links durchlaufen.• During power up the characteristic is traversed from right to left.
- • Auch die korrigierten Einschaltkennlinien sind für negative und kleine positive Drain-Gate-Spannungen nahezu identisch und damit unabhängig von der Zwischenkreisspannung.• The corrected switch-on characteristics are also for negative and small positive drain-gate voltages almost identical and thus independent of the DC link voltage.
-
• Bei höheren Drain-Gate-Spannungen ist die
Spannung, ab der die Kennlinie ansteigt, abhängig von der Zwischenkreisspannung.
So steigt beispielsweise die Kennlinie CrssLS_20V bei
einer kleineren Drain-Gate-Spannung an als die Kennlinie CrssLS_42V. In den Kennlinien sind zwei Knickpunkte
KP1 und KP2 deutlich zu erkennen (vgl.
89 ). Der erste Knickpunkt in der Kennlinie deutet den Beginn der Stromkommutierung an. An dieser Stelle verändert sich im zeitlichen Verlauf der Anstieg der Drain-Gate-Spannung. Der zweite „Knickpunkt" in den Kennlinien zeigt das Ende der Stromkommutierung an und damit auch eine starke Veränderung im Anstieg der Drain-Gate-Spannung. Im zeitlichen Verlauf zeigt sich, dass der Anstieg der Drain-Gate-Spannung während der Stromkommutierung wesentlich geringer ist als während der Spannungskommutierung (vgl.91 und92 ). Entsprechend des in Abschnitt 3.5.3. – Parallelen zwischen der Rückwirkungskapazität und der MOS-Kapazität – erläuterten Verhaltens der MOS-Kennlinie bei hoch- und niederfrequenten Messungen im Inversionsbereich, erklärt sich so auch das beobachtete Ansteigen der Kennlinie in diesen Punkten.• At higher drain-gate voltages, the voltage at which the characteristic curve increases depends on the DC link voltage. For example, the characteristic Crss LS_20V increases at a lower drain-gate voltage than the characteristic Crss LS_42V . The characteristic curves clearly show two break points KP1 and KP2 (cf.89 ). The first break point in the characteristic indicates the beginning of the current commutation. At this point, the increase in the drain-gate voltage changes over time. The second "break point" in the curves indicates the end of the current commutation, and thus also a large change in the drain-gate voltage increase, and over time, the drain-gate voltage increase during current commutation is much lower as during the voltage commutation (see.91 and92 ). As described in section 3.5.3. - Parallelism between the feedback capacitance and the MOS capacitance - explained behavior of the MOS characteristic in high- and low-frequency measurements in the inversion range, which also explains the observed increase in the characteristic curve at these points.
Zu denn Ausschaltkennlinien:To because switch-off characteristics:
- • Während des Ausschaltens wird die Kennlinie von rechts nach links durchlaufen.• During turn-off the characteristic is traversed from right to left.
- • Im Vergleich zu den Einschaltverläufen sind die Kennlinien für einen größeren Drain-Gate-Spannungsbereich nahezu identisch. Sie liegen praktisch bis zur Drain-Gate-Überspannungsspitze VDGmax auf einer Linie.• Compared to the switch-on characteristics, the characteristic curves for a larger drain-gate voltage range are almost identical. They are virtually in line with the drain-gate overvoltage peak V DGmax .
-
• Für hohe Drain-Gate-Spannungen unterscheidet
sich ab VDGmax die Charakteristik der verschiedenen Kennlinien.
In Abhängigkeit vom Anstieg der Drain-Gate-Spannung steigt
die Kennlinie wieder an. Der Drain-Gate-Spannungsanstieg bleibt
logischerweise bei höheren Zwischenkreisspannungen bis
zu hohen Drain-Gate-Spannungen groß genug, um ein Ansteigen
der Kapazitätskennlinie hinauszuzögern (vgl.
93 und94 ).• For high drain-gate voltages, the characteristic of the different characteristic curves differs from V DGmax . Depending on the increase in the drain-gate voltage, the characteristic curve increases again. The drain-gate voltage rise logically remains high enough at higher DC link voltages up to high drain-gate voltages to delay an increase in the capacitance characteristic (cf.93 and94 ).
Fasst man die Erkenntnisse in Richtlinien zur Messung der Rückwirkungskapazität zusammen, so lässt sich analog zu den Betrachtungen zur Laststromabhängigkeit feststellen:Holds the findings in guidelines for measuring the reaction capacity together, so can analogously to the considerations to Determine load current dependency:
- 1. Aus verlusttechnischer Sicht spielen die Ausschaltvorgänge eine größere Rolle. Da sich die Kennlinien beim Ein- und Ausschalten unterscheiden, sollten sie aus einem Ausschaltvorgang bestimmt werden.1. From a loss perspective play the Turn-off a greater role. Since the characteristics differ when switching on and off, should they be determined from a shutdown process.
- 2. Abhängigkeiten von der Zwischenkreisspannung ergeben sich im Bereich höherer Drain-Gate-Spannungen. Da die Spannungs- und Stromkommutierung beim Ausschalten im Wesentlichen mit Erreichen der Überspannungsspitze abgeschlossen ist, sollte die Kennlinie in diesem Bereich möglichst genau für hohe Zwischenkreisspannungen unter Berücksichtigung der parasitären Elemente bestimmt werden. So kann die Kennlinie auch bei großen Gatewiderständen bestimmt werden, ohne dass die Drain-Gate-Spannung bereits aufgrund der Schaltgeschwindigkeit bei zu kleinen Spannungswerten ansteigt (vgl. Abschnitt 3.5.2. – Abhängigkeit der Rückwirkungskapazität von der Schaltgeschwindigkeit).2. Dependencies of the DC link voltage result in the range of higher drain-gate voltages. Since the voltage and Stromkommutierung when you turn off substantially with reaching the overvoltage peak is complete, the characteristic should be in this area as accurately as possible for high DC link voltages taking into account the parasitic elements be determined. Thus, the characteristic can also be large Gate resistors are determined without the drain-gate voltage already due to the switching speed at too low voltage values increases (see Section 3.5.2 - Dependency the reaction capacity of the switching speed).
- 3. Mit diesen Vereinfachungen reicht es aus, die Kennlinie bei einer Zwischenkreisspannung zu ermitteln.3. With these simplifications, it is sufficient to include the characteristic curve to determine a DC link voltage.
Die Zusammenfassung der Abhängigkeit der Kennlinie von der Zwischenkreisspannung macht deutlich, dass in den Bereichen, in denen die Ermittlung der Großsignalkapazität empfohlen wird, die differentielle Kapazität nahezu konstant ist. Deshalb wird auf eine Untersuchung der differentiellen Kapazität verzichtet, da sie der Rückwirkungskapazität entspricht, die für RG = 180 Ω in Unterabschnitt 3.5.2.2. – Differentielle Rückwirkungskapazität Crssdiff(RG) – bestimmt wurde.The summary of the dependence of the characteristic on the intermediate circuit voltage makes it clear that in the areas in which the determination of the large signal capacity is recommended, the differential capacitance is almost constant. Therefore, a study of the differential capacitance is omitted since it corresponds to the retroactivity capacitance, which for R G = 180 Ω in subsection 3.5.2.2. - Differential reaction capacity Crss diff (R G ) - was determined.
3.6. Eingangskapazität Ciss3.6. Input capacity Ciss
3.6.1. Bestimmung der Eingangskapazität3.6.1. Determination of input capacity
Auch an dieser Stelle der Arbeit muss darauf hingewiesen werden, dass die vorliegende Arbeit durch iterative Prozesse entstanden ist und einige Erkenntnisse erst nach mehreren Auswertungs- und Untersuchungszyklen gewonnen wurden. Aufgrund der Tatsachen, dass die Parameterextraktion nur exemplarisch für einen Schalter durchgeführt wird und die Verifizierung für andere Niedervolt MOSFETs noch aussteht, ist es aus Effizienz- und Zeitgründen nicht sinnvoll, sämtliche Betrachtungen immer wieder nach dem neusten Stand der Erkenntnisse durchzuführen. Ziel ist es, das erworbene Wissen und gezielte Vorschriften zur Ermittlung der Kapazitätskennlinien zusammenzufassen, um eine Überprüfung der Ergebnisse unter Anwendung der dargelegten Methoden an weiteren Bauelementen zu ermöglichen.Also At this point the work must be noted that the present work was created by iterative processes and some findings only after several evaluation and examination cycles were won. Because of the facts that the parameter extraction only exemplarily carried out for a switch and verification for other low voltage MOSFETs is still outstanding, it is not for efficiency and time reasons meaningful, all considerations repeatedly after the to carry out the latest state of knowledge. the goal is it, the knowledge acquired and targeted rules for investigation to summarize the capacity curves to make a check the results using the methods set out on more To enable components.
Die Bestimmung der Eingangskapazität kann entsprechend der Ermittlung der Rückwirkungskapazität als differentielle und als Großsignalkapazität erfolgen. Bei ersten Untersuchungen wurde allerdings sowohl die Rückwirkungskapazität als auch die Eingangskapazität nur als Großsignalkapazität ohne Berücksichtigung der parasitären Elemente für eine Vielzahl von Arbeitspunkten ermittelt. Die starke Beeinflussung der Schaltverläufe durch die stark spannungsabhängige Rückwirkungskapazität und die Tatsache, dass die simulative Umsetzung der differentiellen Kapazität aufgrund der entsprechenden Stromgleichung (3.2) relativ simpel ist, hat eine ausführliche Betrachtung der differentiellen Rückwirkungskapazität unter Berücksichtigung der neuen Erkenntnisse notwendig gemacht. Bei der Eingangskapazität wird darauf verzichtet. Für die Ausschaltbedingungen VDClink = 30 V, IL = 150 A, RG = 180 Ω und TJ = 25°C wird nachfolgend die ursprünglich ermittelte Großsignalkennlinie mit der Großsignalkennlinie verglichen, die den Einfluss der parasitären Elemente berücksichtigt, und die differentielle Kapazitätskennlinie bestimmt. In Abschnitt 3.6.2. – Arbeitspunktabhängigkeit der Eingangskapazität – wird dann die Arbeitspunktabhängigkeit mit den ursprünglich ermittelten Kennlinien dargestellt, aus denen sich dann aufgrund der Erkenntnisse aus diesem Abschnitt Aussagen ableiten lassen, worauf jedoch weitestgehend verzichtet wird. Bei fortführenden Arbeiten sollten dann die genaueren Analysen möglichst an verschieden Bauelementen durchgeführt und ein entsprechender Kennlinienvergleich für die verschiedenen Betriebsparameter durchgeführt werden.The determination of the input capacitance can be carried out according to the determination of the feedback capacity as a differential and as a large signal capacity. In the first investigations, however, both the feedback capacitance and the input capacitance were determined only as large signal capacitance without consideration of the parasitic elements for a variety of operating points. The strong influence of the switching characteristics due to the high voltage-dependent feedback capacity and the fact that the simulative conversion of the differential capacitance is relatively simple due to the corresponding current equation (3.2) has necessitated a detailed consideration of the differential feedback capacity taking into account the new findings. In the input capacity is waived. For the switch-off conditions V DClink = 30 V, I L = 150 A, R G = 180 Ω and T J = 25 ° C, the originally determined large-signal characteristic is compared with the large-signal characteristic taking into account the influence of the parasitic elements and the differential capacitance characteristic certainly. In section 3.6.2. - Working point dependence of the input capacitance - then the operating point dependence is shown with the originally determined characteristics, from which then based on the findings from this section can derive statements, but this is largely dispensed with. In the case of continuing work, the more precise analyzes should then be carried out on different components as far as possible and a corresponding characteristic comparison for the various operating parameters should be carried out.
Da die Beeinflussung durch die parasitären Elemente geringer und vorhandene Schwingungen stärker gedämpft sind, werden die genannten Analysen für einen langsamen Ausschaltverlauf mit VDClink = 30 V, IL = 150 A, RG = 180 Ω und Tj = 25°C realisiert. Die Ermittlung der Großsignaleingangskapazität erfolgt nach Gleichung (3.9) aus Since the influence of the parasitic elements is lower and existing vibrations are more attenuated, the analyzes mentioned for a slow turn-off with V DClink = 30 V, I L = 150 A, R G = 180 Ω and T j = 25 ° C realized. The determination of the large signal input capacitance takes place according to equation (3.9)
Die differentielle Eingangskapazität kann näherungsweise mit der Gleichung (3.3) aus bestimmt werden. Dabei sollte i unter Beachtung der Messpunktdichte möglichst klein gewählt werden, um die Genauigkeit der numerischen Differentiation zu erhöhen. Aufgrund des Messrauschens ist es jedoch mitunter notwendig, i > 1 zu wählen, um numerische Probleme (beispielsweise die Division durch Null) zu vermeiden.The differential input capacitance can be approximated by equation (3.3) be determined. In this case, i should be chosen as small as possible, taking into account the measuring point density, in order to increase the accuracy of the numerical differentiation. However, due to the measurement noise, it is sometimes necessary to select i> 1 to avoid numerical problems (for example, division by zero).
Die
Gleichungen zeigen, dass zunächst vereinfachend davon ausgegangen
wird, dass die Eingangskapazität lediglich von der Gate-Source-Spannung
abhängig ist. Zwischen dem Gate- und dem Sourceanschluss
kann dann mit den Gleichungen (3.36) und (3.37) die kapazitive Wirkung
der gesamten Messschaltung zwischen den beiden Schalterelektroden
während des Schaltens bestimmt werden. Zur Abschätzung
der Ladung Qi(t) in der Eingangskapazität
wurde – wie bei der Rückwirkungskapazität – zuerst
die Ladungsänderung zwischen zwei Messpunkten abgeschätzt
und die Ladungsinkremente nach Gleichung (3.25) kalkuliert. Die insgesamt
bis zum Zeitpunkt tn ins Gate geflossene
Ladung QGtot ergibt sich entsprechend der
Summengleichung (3.26). Unter der Bedingung, dass zum Zeitpunkt
tvi gilt
Die
Kennlinie unterscheidet sich jedoch von der Kennlinie, die sich
direkt am Chip ergeben würde.
Die
Abbildungen
Die
Beeinflussung durch die Gateinduktivität ist bei langsamen
Schaltverläufen vernachlässigbar (
Die
Sourceinduktivität beeinflusst die Kennlinie während
der Stromkommutierung (
Deshalb
werden am Beispiel des Ausschaltverlaufs IL =
150 A, RG = 180 Ω, VDClink =
30 V und TJ = 25°C die Ergebnisse
dokumentiert, die sich ergeben, wenn man die in Unterabschnitt 3.5.2.2. – Differentielle
Rückwirkungskapazität Crssdiff(RG) – beschriebene Variante 1 zur
Ermittlung der differentiellen Kapazität verwendet. Um
einen Eindruck zu bekommen wie empfindlich die Kennlinie auf die
parasitären Elemente bzw. auf die verwendeten Messpunkte
reagiert, werden die Ladungskurven Qi(VGSmess)
und Qi(VGsechip) approximiert und daraus die
Kennlinien Cissdiff(VGSmess)
und Cissdiff(VGSchip)
bestimmt und einander gegenübergestellt (vgl.
Unter
der vereinfachenden Annahme, dass zum Zeitpunkt der Spannungskommutierung
der Gatestrom nicht in die Eingangs- sondern in die Rückwirkungskapazität
fließt, kann dieser Bereich der Kennlinie vernachlässigt
werden. Deshalb wird die Ladungskurve Qi(VGS)
in zwei Bereichen – vor und nach dem Millerplateau – gefittet
und die Ableitung zur Berechnung der differentiellen Kapazität
gebildet. Die Ergebnisse sind in den Abbildungen
3.6.2. Arbeitspunktabhängigkeit der Eingangskapazität3.6.2. Bias dependence the input capacity
Die nachfolgend erläuterten Abbildungen dienen der Dokumentation der Arbeitspunktabhängigkeit der Großsignaleingangskapazität CissLS. Dabei werden verschiedene Betriebsbedingungen miteinander verglichen, die noch beliebig ergänzt werden können und keinen Anspruch auf Vollständigkeit erheben. Die Beurteilung der Kennlinien ist nur eingeschränkt möglich, da die Kennlinien aus den Messdaten bestimmt worden sind. Für genauere Aussagen müssten die Daten der differentiellen Kennlinien unter Berücksichtigung der parasitären Elemente bestimmt werden und eine Offsetkorrektur des Gatestromes vorgenommen werden.The figures explained below are used to document the operating point dependency of the large signal input capacitance Ciss LS . Different operating conditions are compared, which can be supplemented as desired and do not claim to be complete. The evaluation of the characteristic curves is only possible to a limited extent, since the characteristic curves have been determined from the measured data. For more accurate statements, the data of the differential characteristics would have to be determined taking into account the parasitic elements and an offset correction of the gate current should be made.
Entsprechend der Erkenntnisse aus Unterkapitel 3.6.1 – Bestimmung der Eingangskapazität – ist mit folgenden Effekten in den Darstellungen durch eine Berücksichtigung der parasitären Elemente zu rechnen. Dabei ist die Stärke der Effekte stark sowohl von der Schaltgeschwindigkeit bzw. vom Gatevorwiderstand und den sich ergebenden Transienten, als auch von der Laststromstärke abhängig. Mitunter sind sie also auch vernachlässigbar.
- 1. Unter Berücksichtigung des internen Gatewiderstandes und des Anschlussgatewiderstandes vergrößert sich die Millerspannung beim Ausschalten, und sie verringert sich beim Einschalten gegenüber der aus Messdaten ermittelten Spannung aufgrund der Gatestromrichtung.
- 2. Beachtet man die interne Gateinduktivität und die Anschlussgateinduktivität, verringert sich die Großsignaleingangskapazität beim Ausschalten bei VGS = VDr(on), und sie vergrößert sich beim Einschalten bei VGS = VDr(off) gegenüber der ursprünglich ermittelten Kennlinie aufgrund des Vorzeichens des Gatestromanstiegs.
- 3. Die interne Sourceinduktivität und die Anschlusssourceinduktivität verursacht während der Stromkommutierung (zwischen Schwellen- und Millerspannung) aufgrund des Vorzeichens des Drainstromanstiegs dID/dt beim Ausschalten eine Verringerung der Kapazitätswerte und beim Einschalten eine Erhöhung der Kapazitätswerte gegenüber den Werten, die aus der Messspannung ermittelt wurden.
- 4. Der interne Sourcewiderstand und der Anschlusssourcewiderstand bewirken sowohl beim Ein- als auch beim Ausschalten eine Verringerung der Gate-Source-Spannung im Chip. Die tatsächlichen Großsignalkapazitätswerte liegen also für VGS > VGSth, über den Kapazitätswerten, die aus der Messspannung bestimmt wurden.
- 1. Taking into account the internal gate resistance and the terminal gate resistance, the Miller voltage increases at turn-off, and decreases at power-up compared to the measured-data voltage due to the gate current direction.
- 2. Considering the internal gate inductance and the terminal gate inductance, the large signal input capacitance at turn-off decreases at V GS = V Dr (on) , and increases at V GS = V Dr (off) with respect to the originally determined characteristic due to the sign when turned on of the gate increase.
- 3. The internal source inductance and the terminal source inductance cause a decrease in capacitance values during current commutation (between threshold and mill voltage) due to the sign of drain current rise dI D / dt at power off and an increase in capacitance values at power-up compared to the values derived from the measurement voltage were.
- 4. The internal source resistance and the terminal source resistance cause a reduction of the gate-source voltage in the chip both on and off. The actual large signal capacity values are thus for V GS > V GSth , over the capacitance values , which were determined from the measurement voltage.
Zuerst
soll nun auf die sich ergebenden Unterschiede der Großsignaleingangskapazitätskennlinie
in Abhängigkeit vom Schaltvorgang eingegangen werden. Aus
der Darstellung
- • Die ermittelte Großsignalkennlinie CissLS(VGSmess) des Ausschaltverlaufs liegt über der Kennlinie des Einschaltverlaufs. Auch die stationären Endpunkte der Großsignaleingangskapazitäten CissLS(VGSmess) unterscheiden sich. In Abschnitt 3.5.4. – Vergleich der Rückwirkungskapazität beim Ein- und Ausschalten – wurde dokumentiert, dass diese Abweichungen vermutlich auf Messfehler zurückzuführen sind. Eine entsprechende Untersuchung, die neben dem Offset des Gatestromes auch parasitäre Elemente berücksichtigt, wurde nachträglich für eine Betriebsbedingung durchgeführt und bestätigte diese Annahme auch für die Großsignaleingangskapazität. Sie ist im Unterkapitel 4.3. – Untersuchung der Kennlinie in einem Arbeitspunkt – aufgeführt.
- • Anders als beim Ausschalten, entstehen beim Einschalten Schwingungen durch die sprunghafte Änderung der Gate-Source-Spannung zum Zeitpunkt des Rückstromabrisses bzw. des Übergangs von der Strom- zur Spannungskommutierung. Diese sind bei einem Gatevorwiderstand von RG = 180 Ω schon relativ stark gedämpft. Es ist zu vermuten, dass die CissLS-Kennlinie bei kleinen, applikationstypischen Gatewiderständen aufgrund dieser Schwingungen nicht mehr auswertbar und das klassische Millerplateau durch die überlagerten Schwingungen nicht ersichtlich ist. Die Kennlinienauswertung sollte deshalb an möglichst langsamen Schaltvorgängen oder an den Ausschaltverläufen erfolgen.
- • Die Abbildung zeigt, dass die Millerspannung bei den Ausschaltverläufen kleiner ist als bei den Einschaltverläufen. Im vorherigen Unterkapitel wurde jedoch die Wirkung des internen Gatewiderstandes erläutert. Demnach verschiebt sich die Millerspannung beim Ausschalten nach links und beim Einschalten nach rechts. Es ist also zu erwarten, dass sich die Millerspannungen beim Ein- und Ausschalten einander annähern.
- • Eine Abhängigkeit der differentiellen Rückwirkungskapazität vom Schaltvorgang ist auch bei richtiger Kennlinienauswertung (Berücksichtigung des Gatestromoffsets und der parasitären Elemente) zu erwarten.
- • The determined large signal characteristic Ciss LS (V GSmess ) of the switch-off characteristic is above the characteristic curve of the switch-on characteristic. The stationary endpoints of the large signal input capacitances Ciss LS (V GSmess ) also differ. In section 3.5.4. - Comparison of the reaction capacity on switching on and off - has been documented that these deviations are probably due to measurement errors. A corresponding investigation, which also considers parasitic elements in addition to the offset of the gate current, was subsequently carried out for an operating condition and confirmed this assumption also for the large signal input capacitance. It is in subchapter 4.3. - Examination of the characteristic in one operating point - listed.
- • Unlike when switched off, oscillations occur when switching on due to the sudden change in the gate-source voltage at the time of the reverse current cutoff or the transition from the current to the voltage commutation. These are already at a gate resistor of R G = 180 Ω heavily dampened. It can be assumed that the Ciss LS characteristic curve can no longer be evaluated for small, application-typical gate resistances due to these vibrations, and the classic Miller plateau due to the superimposed oscillations is not apparent. The characteristic evaluation should therefore be carried out on the slowest possible switching operations or on the Ausschaltverläufen.
- • The figure shows that the Miller voltage is lower in the case of the switch-off curves than in the switch-on curves. In the previous subchapter, however, the effect of the internal gate resistance was explained. Accordingly, the Miller voltage shifts to the left when switched off and to the right when switched on. It can therefore be expected that the mill voltage will approach each other when switching on and off.
- • A dependence of the differential reaction capacitance on the switching process is to be expected even with correct characteristic evaluation (consideration of the gate off-set and the parasitic elements).
Aus
- • Die Bereiche der Kennlinien vor und nach der Millerspannung sind bei sonst gleichen Bedingungen für verschiedene relativ große Gatevorwiderstände nahezu identisch.
- • Die gemessene Millerspannung ist für alle dargestellten Betriebsbedingungen gleich.
- • Mit der Schaltgeschwindigkeit nimmt der maximale Rückwärtsstrom in der Freilaufdiode zu (vgl. Abschnitt 4.4.3.2. – Einstellung der Diodenzeitkonstanten). Dieser Rückwärtsstrom fließt im Brückenzweig und addiert sich zum Drainstrom des MOSFETs. Dadurch kommt der MOSFET bei der Stromkommutierung während des Durchlaufens des Ausgangskennlinienfeldes beim Einschalten auf höhere Gatespannungen als bei geringeren Schaltgeschwindigkeiten (vgl. auch Abschnitt 2.3.2. – dVDS/dt – Rückkopplung durch die Gatekapazität).
- • Im Rückstromabriss kommt es zu einer sprunghaften Veränderung der Gate-Source-Spannung. Die dadurch entstehenden Schwingungen werden durch größere Gatewiderstände stärker gedämpft.
- • Eine Abhängigkeit der differentiellen Eingangskapazität ist für den unteren und oberen Bereich der Kennlinie nicht zu erwarten.
- • The ranges of the characteristic curves before and after the Miller voltage are almost identical under different conditions for different relatively large gate resistors.
- • The measured Miller voltage is the same for all operating conditions shown.
- • With the switching speed, the maximum reverse current in the freewheeling diode increases (see Section 4.4.3.2 - Setting the diode time constants). This reverse current flows in the bridge branch and adds to the drain current of the MOSFET. Thus, during current commutation, during current commutation, the MOSFET will experience higher gate voltages at power-up than at lower switching speeds (see also Section 2.3.2 - dV DS / dt - Gate Capacitance Feedback).
- • In the reverse current break, there is a sudden change in the gate-source voltage. The resulting oscillations are more strongly damped by larger gate resistances.
- • A dependence of the differential input capacitance is not to be expected for the lower and upper range of the characteristic.
- • Die Millerspannung verringert sich bei höheren Temperaturen.
- • Der Kennlinienbereich vor der Millerspannung ist für alle dargestellten Schaltbedingungen nahezu identisch.
- • Nach der Millerspannung liegen die Kapazitätswerte bei höheren Temperaturen geringfügig über denen bei niedrigeren Temperaturen, wobei dieser Effekt bei der kleinsten Zwischenkreisspannung am stärksten ausgeprägt ist. Es muss jedoch anhand weiterer Messungen überprüft werden, ob es sich hierbei nicht um statistische Abweichungen handelt.
- • Eine starke Abhängigkeit der differentiellen Kapazität von der Temperatur in den relevanten Bereichen ist nicht zu erwarten.
- Miller voltage decreases at higher temperatures.
- • The characteristic range before the Miller voltage is almost identical for all switching conditions shown.
- • After the Miller voltage, the capacitance values at higher temperatures are slightly higher than those at lower temperatures, this effect being most pronounced at the lowest DC link voltage. However, it must be checked on the basis of further measurements whether these are not statistical deviations.
- • A strong dependence of the differential capacity on the temperature in the relevant areas is not expected.
- • Die Millerspannung verringert sich bei kleineren Stromstärken, da das Ausgangskennlinienfeld während der Spannungskommutierung bei niedrigeren Gatespannungen durchlaufen wird.
- • Die Kapazitätswerte steigen während der Spannungskommutierung bei kleineren Stromstärken auf wesentlich höhere Werte an als bei größeren.
- • Inwiefern dies einen Einfluss auf diesen Bereich der differentiellen Eingangskapazität hat, muss in weiterführenden Analysen untersucht werden.
- • Miller voltage decreases at lower currents because the output characteristics field is swept at lower gate voltages during voltage commutation.
- • The capacitance values increase to much higher values during the voltage commutation for lower currents than for larger ones.
- • To what extent this has an influence on this range of differential input capacitance needs to be investigated in further analysis.
Die
Abbildungen
- • Die Abbildungen lassen die Vermutung zu, dass bei niedrigen Temperaturen eine Abhängigkeit der Millerspannung von der Zwischenkreisspannung besteht. Es ist tendenziell eine Verringerung der Millerspannung bei größeren Zwischenkreisspannungen feststellbar. Allerdings muss diese These durch weitere Messungen bestätigt werden, da es sich durchaus auch um statische Schwankungen handeln könnte.
- • Im oberen Kennlinienbereich besteht eine offensichtliche Abhängigkeit der Großsignaleingangskapazität von der Zwischenkreisspannung: Je größer die zu kommutierende Spannung ist, desto höher sind die Großsignalkapazitätswerte rechts von der Millerspannung.
- • Wie stark der Einfluss dieser Abhängigkeit auf den entsprechenden Bereich der differentiellen Eingangskapazität ist, sollte in weiterführenden Analysen untersucht werden.
- • The figures suggest that at low temperatures there is a dependence of the Miller voltage on the DC link voltage. There is a tendency to detect a reduction in the Miller voltage for larger DC link voltages. However, this thesis must be confirmed by further measurements, as it could well be static fluctuations.
- • In the upper characteristic range, there is an obvious dependence of the large signal input capacitance on the intermediate circuit voltage: the larger the voltage to be commutated, the higher are the large signal capacitance values to the right of the Miller voltage.
- • How strong the influence of this dependence is on the corresponding range of the differential input capacitance should be investigated in further analyzes.
Fasst man die aus den erläuterten Abbildungen abgeleiteten Aussagen zusammen, so ist festzustellen, dass eine nicht zu vernachlässigende Abhängigkeit der Eingangskapazitätskennlinie von den gewählten Betriebsbedingungen besteht. Die Frage nach den Ursachen der Abhängigkeit von der Zwischenkreisspannung und inwiefern ein Zusammenhang zwischen der Rückwirkungskapazität und der Eingangskapazität besteht, bleibt zunächst noch offen. Tiefgründigere Untersuchungen – insbesondere wie die ermittelten Kapazitäten in einer Schaltermodellvorstellung miteinander vereint werden können – sind für fortführende Arbeiten jedoch unabdinglich.Holds the statements derived from the illustrations explained together, it should be noted that one not insignificant Dependence of the input capacity curve on the selected operating conditions. The question the causes of the dependence on the intermediate circuit voltage and what is the relationship between the feedback capacity and the input capacity persists, stays first still open. More profound investigations - in particular like the determined capacities in a switch model conception can be united with each other - are for However, continuing work is indispensable.
3.6.3. Parallelen zwischen Eingangskapazität und MOS-Kapazität3.6.3. Parallels between input capacity and MOS capacity
Die
unterschiedlichen Halbleiter befinden sich jedoch bei einer positiven
Spannung zwischen Gate und Source, entsprechend der Darlegungen
in Abschnitt 3.5.3. – Parallelen zwischen Rückwirkungskapazität
und MOS-Kapazität –, in verschiedenen Zuständen
(vgl.
Mit
Hilfe der angenommenen Parallelschaltung der beiden MOS-Strukturen
lässt sich der typische Verlauf der CissLS-Kennlinie
erklären, da sich die Ersatzkapazität aus der
Addition der beiden Einzelkapazitäten ergibt. Bei positiven
Gate-Source-Spannungen ist die MOS-Kapazität mit dem n-Halbleiter
in der Anreicherung und damit nahezu konstant. Für die
MOS-Kapazität mit dem p-Halbleiter ergeben sich bei steigender
Gatespannung entsprechend der Zustände Verarmung und Inversion.
Dabei besteht ab der Schwellenspannung bzw. Inversionsspannung eine
Abhängigkeit des Kurvenverlaufs von der Schaltgeschwindigkeit
bzw. von der Frequenz. Unterteilt man nun die Eingangskapazitätskennlinie
in die folgenden drei Bereiche (vgl.
1. Gate-Source-Spannung zwischen VGS = 0 V und VGS = VGS_millern 1. Gate-source voltage between V GS = 0 V and V GS = V GS_millern
In diesem Bereich fällt die ermittelte Großsignaleingangskapazitätskennlinie mit steigender Gatespannung leicht ab. Dies lässt sich damit begründen, dass es in der MOS-Struktur mit dem p-Halbleiter bei steigender Gatespannung zunächst zu einer Verarmung und dann zu einer Inversion an Majoritätsladungsträgern kommt. Da die Kapazität der MOS-Struktur mit dem n-Halbleiter im Anreicherungszustand nahezu konstant ist, ergibt sich in der Summe ein leicht fallender Kurvenverlauf. (Der Gate-Source-Spannungsanstieg ist in diesem Bereich während des Schaltens am größten, so dass davon ausgegangen werden kann, dass der Kennlinienverlauf in der Nähe der Hochfrequenzkennlinie liegt.)In This area falls the determined large signal input capacitance characteristic Slight decrease with increasing gate voltage. This is possible reasoning that it is in the MOS structure with the p-type semiconductor with increasing gate voltage first to a depletion and then an inversion of majority carriers occurs. As the capacity of the MOS structure with the n-type semiconductor is almost constant in the enrichment state, results in the Sum a slightly falling curve. (The gate-source voltage rise is the largest in this area during switching, so that it can be assumed that the characteristic curve near the high-frequency characteristic.)
2. Gate-Source-Spannung VGS = VGS_millern 2. Gate-source voltage V GS = V GS_millern
Während
des Millerns steigt die Kapazität stark an. Dies kann wie
folgt erklärt werden: Da sich die Gate-Source-Spannung
in diesem Bereich nicht ändert, nähern sich die
Kapazitäts werte der MOS-Struktur mit dem p-Halbleiter der
Niederfrequenzkennlinie an. Da die Kapazität der MOS-Struktur
mit dem n-Halbleiter im Anreicherungszustand konstant ist, ergeben
sich in diesem Bereich stark ansteigende Kapazitätswerte.
Diese Argumentation liefert auch eine Erklärung für
die im vorherigen Abschnitt dokumentierte Abhängigkeit
von der Zwischenkreisspannung in diesem Bereich: Je länger
die Spannungskommutierung bzw. das Millern dauert, umso stärker
nähern sich die Kapazitätswerte der Niederfrequenzkennlinie
an. Zur Verdeutlichung dieses Sachverhalts stellen die Abbildungen
3. Gate-Source-Spannung zwischen VGS = VGS_millern und VGS = VDr(on) 3. Gate-source voltage between V GS = V GS_millern and V GS = V Dr (on)
In diesem Bereich fällt die ermittelte Großsignaleingangskapazitätskennlinie mit steigender Gatespannung wieder leicht ab. Diese Verringerung ergibt sich wahrscheinlich durch die Änderung der Gate-Source-Spannung, die einer Kapazitätskennlinie unterhalb der Niederfrequenzkennlinie entspricht.In This area falls the determined large signal input capacitance characteristic slightly decreasing with increasing gate voltage. This reduction is likely due to the change in the gate-source voltage, that of a capacitance characteristic below the low-frequency characteristic equivalent.
Die Großsignaleingangskapazitätskennlinie ist gewiss neben vielen anderen Faktoren auch abhängig von der Größe der Kontaktflächen von p+ und n+ mit der Oxidschicht, weiterhin davon, wie sich die Ladungsträger als Gegenladung zur Gateladung auf die einzelnen Halbleiterschichten aufteilen, und schließlich von der mittleren Weglänge zwischen den Anschlüssen Gate und Source durch den p- und n-Halbleiter. Diese Einflüsse können jedoch im Rahmen dieser Arbeit nicht untersucht werden. Völlig unberücksichtigt bleibt in der Argumentation auch der Einfluss der Bewegung von Ladungsträger in diesen beiden Halbleiterschichten.The large signal input capacitance characteristic is certainly also dependent on the size of the contact surfaces of p + and n + with the oxide layer, furthermore on how the charge carriers are distributed as counter charge to the gate charge on the individual semiconductor layers, and finally on the mean path length between the two Connections gate and source through the p- and n-type semiconductor. However, these influences can not be investigated in this work. Completely disregarded in the argumentation is also the influence of the motion of charge carriers in these two semiconductor layers.
3.7. Ausgangskapazität Coss3.7. Output capacity Coss
Unter der Ausgangskapazität versteht diese Arbeit die kapazitive Wirkung zwischen dem Drain- und dem Sourceanschluss. Im Vergleich zu der Rückwirkungs- und Eingangskapazität ist ihre Bestimmung komplizierter. So muss beim Ausschalten der Strom, der an dem Kanal vorbei vom Drain- zum Sourceanschluss fließt, quantifiziert werden. Beim Einschalten dagegen wäre es notwendig, den Strom zu ermitteln, der zusätzlich zum Drainstrom durch den Kanal fließt. Das ist jedoch noch aufwendiger als die Stromermittlung beim Ausschalten, da beim Einschalten, aufgrund des Reverse-Recovery-Verhaltens der Freilaufdiode, weitere Stromanteile hinzukommen. Die Messung des Stromes ist mit dem gegebenen Messaufbau weder beim Ein- noch beim Ausschalten möglich. Allerdings ist es beispielsweise für hartschaltende Applikationen von Bedeutung, die belastende bzw. entlastende Wirkung auf den Kanalstrom beim Ein- bzw. Ausschalten quantifizieren zu können.Under the output capacity, this work understands the capacitive Effect between the drain and the source. Compared to the feedback and input capacitance their purpose more complicated. So when turning off the electricity, which flows past the channel from the drain to the source, be quantified. When switching it on it would be necessary to determine the current in addition to the drain current flowing through the channel. This is even more complicated as the current detection when switching off, because when switching on, due the reverse recovery behavior of the freewheeling diode, further current components added. The measurement of the current is with the given measurement setup not possible when switching on or off. Indeed For example, it is for hard-switching applications Of importance, the burdening or relieving effect on the channel current quantify when switching on or off.
Bestandteil der Ausgangskapazität ist in jedem Fall die Drain-Source-Kapazität. Parallel dazu ist eine Entlastung beim Ausschalten bzw. eine Belastung beim Einschalten über die Drain-Gate-Kapazität und den Gateansteuerkreis denkbar. Das ähnelt auch der Definition der Kleinsignalkurzschlussausgangskapazität (vgl. Abschnitt 3.3. – Datenblattangaben zu Schalterkapazitäten – Gleichung (3.16)). Beim Studium der einschlägigen Literatur fällt auf, dass die Drain-Source-Kapazität bei der Modellierung von MOSFETs häufig unberücksichtigt bleibt, mit der Begründung, dass sie keinen wesentlichen Einfluss auf die Schaltverläufe habe [3]. Das wäre dann richtig, wenn die Drain-Source-Kapazität CDs wesentlich kleiner wäre als die Drain-Gate-Kapazität oder man ihre Wirkung auch mit der Drain-Gate-Kapazität modellieren bzw. erklären könnte. Unter dieser Annahme würde sich die Bestimmung der Ausgangskapazität erübrigen. Da entsprechende Untersuchungen zur Bestätigung dieser Vermutung jedoch noch ausstehen, soll in diesem Kapitel prinzipiell vorgestellt werden, wie die Ausgangskapazität mit den gegebenen Mitteln aus Ausschaltvorgängen abgeschätzt werden kann, ohne diese Abschätzung konkret am Beispiel einiger Schaltverläufe durchzuführen. Das bleibt nachfolgenden Arbeiten vorbehalten, falls sich ein Bedarf – beispielsweise zur genauen Ermittlung der Interelektrodenkapazitäten – an dieser Kennlinie ergeben sollte, der den enormen Arbeitsaufwand rechtfertigen würde. Es bleibt dann jedoch zu prüfen, inwiefern eine Auswertung überhaupt möglich ist bzw. ob die sich daraus ergebenden Kapazitätswerte nicht so klein sind, dass sie im Messrauschen verloren gehen.component the output capacitance is in any case the drain-source capacitance. Parallel to this is a discharge when switching off or a load when turning on the drain-gate capacitance and the gate drive circuit conceivable. This is similar to the Definition of the small signal short-circuit output capacitance (see Section 3.3 - Datasheet details on switch capacities - Equation (3.16)). When studying the relevant literature falls on that the drain-source capacity in the modeling MOSFETs are often disregarded with the reasoning that they have no significant influence the switching curves have [3]. That would be correct if the drain-source capacity CDs much smaller would be called the drain-gate capacitance or one of theirs Effect also with the drain-gate capacitance model or could explain. Under this assumption would the determination of the output capacity is unnecessary. As appropriate investigations confirm this Assumption, however, still pending, in this chapter in principle as the initial capacity with given Estimated means of turn-off can, without this estimate concrete example of some Perform switching curves. That stays behind Working reserved, if there is a need - for example for accurate determination of interelectrode capacitances - This characteristic should give the enormous amount of work would justify. It then remains to be considered to what extent an evaluation is possible at all or whether the resulting capacity values are not are so small that they are lost in measurement noise.
Voraussetzung
für die Ermittlung der Ausgangskapazität ist ein
möglichst genau gemessenes Ausgangskennlinienfeld mit möglichst
kleinen Schritten in der Gatespannung. Aus diesem kann dann eine
Schar von Transferkennlinien IDn = f(VGS, VDS = VDSn) gewonnen werden, wobei die Drain-Source-Spannungen
der Transferkennlinien sinnvolle Abstände aufweisen sollten,
beispielsweise 0,5 V. Die Transferkennlinien für verschiedene Drain-Source-Spannungen
können natürlich auch direkt gemessen werden.
Transferkennlinien sind statische Kennlinien. Das heißt,
dass zwar die Spannungsabfälle über den internen
Induktivitäten und Anschlussinduktivitäten Null
sind, nicht aber über den internen Widerständen
und Anschlusswiderständen. Deshalb müssen die
aus dynamischen Messungen stammenden Spannungen VDSmess und
VGSmess nur bezüglich der Induktivitäten
bereinigt werden. So ergibt sich für jeden Zeitpunkt des
Schaltverlaufs ein Datentripel aus dem Drainstrom ID(t)
und den korrigierten Messspannungen VDSmess'(t)
und VGSmess'(t). Nimmt man nun die Zeitpunkte
ti aus der Messreihe, in denen VDSmess' den Spannungen VDS der
Transferkennlinien entspricht, kann man den gemessenen Drainstrom
ID(t) mit dem Kanalstrom IDchannel vergleichen.
Der Strom durch die Ausgangskapazität ID_Coss(t)
ergibt sich dann zu
Durch lineare Approximation zwischen den so ermittelten Strompunkten kann die Punktdichte wieder auf die Messwertdichte erhöht werden, und die Ausgangskapazität ergibt sich entsprechend der Gleichungen (3.3) und (3.9) aus By linear approximation between the thus determined current points, the point density can be increased again to the measured value density, and the output capacitance results according to the equations (3.3) and (3.9)
Zur Abschätzung der Ladung Qo(t) in der Ausgangskapazität muss zuerst die Ladungsänderung zwischen zwei Messpunkten abgeschätzt werden. Die Ladungsinkremente werden dazu wie folgt kalkuliert: To estimate the charge Q o (t) in the output capacitance, the charge change between two measurement points must first be estimated. The charge increments are calculated as follows:
Die insgesamt bis zum Zeitpunkt tn in die Ausgangskapazität geflossene Ladung Qo ergibt sich dann durch numerische Integration aus der Summenfunktion The charge Q o which has flowed into the output capacitance up to the instant t n is then obtained by numerical integration from the summation function
Wie
bei der Rückwirkungs- und Eingangskapazität müsste
man nun unter der Bedingung, dass zum Zeitpunkt tv gilt
Um dennoch die Ausgangskapazität bestimmen zu können, muss eine vereinfachende Annahme gemacht werden: So könnte man im stationär eingeschalteten Zustand davon ausgehen, dass die Ausgangskapazität durch den Einschaltwiderstand rds(on) vollständig entladen worden ist. Dem steht jedoch die Aussage gegenüber, dass die Drain-Gate-Kapazität Bestandteil der Ausgangskapazität ist, denn über dieser fällt im eingeschalteten Zustand die Treiberspannung VDr(on) abzüglich der Durchlassspannung VDS(on) ab. Die Ladung in ihr muss demnach von Null verschieden sein. Deshalb kann, unter Beachtung des bisherigen Wissensstandes, lediglich die differentielle Ausgangskapazität nach Gleichung (3.42) bestimmt werden, da für diese der absolute Ladungswert Qo keine Rolle spielt.In order to be able to determine the output capacitance nevertheless, a simplifying assumption must be made: For example, in the steady state, one could assume that the output capacitance has been completely discharged by the on-resistance r ds (on) . However, this is countered by the statement that the drain-gate capacitance is a component of the output capacitance, because above it, in the switched-on state, the driver voltage V Dr (on) decreases, minus the forward voltage V DS (on) . The charge in it must therefore be different from zero. Therefore, considering the current state of knowledge, only the differential output capacitance can be determined according to equation (3.42), since the absolute charge value Q o does not play a role for them.
Abschließend zu dieser Problematik soll noch einmal darauf hingewiesen werden, dass durch eine Kapazität nur dann Strom fließt, wenn sich die Spannung über ihr ändert. Dies ist eigentlich nur während der Spannungskommutierung der Fall. Die Kommutierungsinduktivitäten verursachen jedoch während der Stromkommutierung durch die Spannungsabfälle über sich selbst eine Veränderung der Chipspannung. Das bedeutet, der Strom muss durch die Ausgangskapazität für den gesamten Schaltverlauf nach Gleichung (3.42) ermittelt werden.Finally to this problem should be pointed out again that only a current flows through a capacitor, when the voltage changes over her. This is actually only during the voltage commutation of the case. However, the commutation inductances cause during the current commutation by the voltage drops across itself a change in the chip voltage. That means, the current must be through the output capacitance for the entire switching process according to equation (3.42) can be determined.
3.8. Modellvorstellung der Schalterkapazitäten für die Simulation3.8. Model presentation of the switch capacities for the simulation
In
den Unterkapiteln 3.5., 3.6. und 3.7. wurde das Verständnis
der vorliegenden Arbeit von einer Rückwirkungs-, Eingangs-
lind Ausgangskapazität eines Schalters erläutert.
Diese Kapazitätsdefinitionen verdeutlichen, dass die genannten
Schalterkapazitäten weder den Interelektrodenkapazitäten
CDG, CGS und CDS (vgl.
Vielmehr scheinen diese definierten Kapazitäten alle Kapazitäten des untersuchten Schalters und der Schalterumgebung zu enthalten . Deshalb ist es nicht möglich sowohl die Rückwirkungs- als auch die Eingangskapazitätskennlinie in das Schaltermodell zu integrieren. Die Kapazitäten, insbesondere die Drain-Gate- und die Gate-Source-Kapazität, würden dann doppelt berücksichtigt werden. In diesem Unterkapitel wird nun ein einfaches Modell vorgestellt, wie die ermittelten Kennlinien in zustandsgesteuerte Schaltermodelle integriert werden können. Die Simulationsergebnisse des Modells werden dann in Kapitel 4 – Verifikation der Kapazitätskennlinien durch Simulation – präsentiert.Rather, these defined capacities appear to contain all the capabilities of the switch under consideration and the switch environment , Therefore, it is not possible to integrate both the feedback and the input capacitance characteristic in the switch model. The capacitances, in particular the drain-gate and the gate-source capacitance, would then be considered twice. In this subchapter, a simple model is presented, how the determined characteristic curves can be integrated into state-controlled switch models. The simulation results of the model are then presented in Chapter 4 - Verification of Capacitance Characteristics by Simulation.
Im Unterkapitel 3.7. – Ausgangskapazität Coss – wurde bereits angedeutet, dass die Wirkung der Ausgangskapazität auch über die Rückwirkungskapazität simuliert werden kann. Deshalb wurde auf die Bestimmung einer entsprechenden Kennlinie verzichtet. Auch das Schaltermodell ET3g modelliert die Ausgangskapazität nicht. Allerdings sollen in der Simulation sowohl die Gatekapazität CGS als auch die Millerkapazität CDG so parametriert werden, dass die Simulation der Schaltvorgänge möglichst genau ist. Die beiden Interelektrodenkapazitäten sind nicht konstant, sondern ändern sich in Abhängigkeit von den an den Kapazitäten anliegenden Spannungen, da die Kapazitäten teilweise durch spannungsabhängige Verarmungszonen gebildet werden. Die stärkste Änderung der Kapazität während des Schaltens geschieht in CDG, da die Spannungsänderung über ihr größer ist als über CGS. Zur Abschätzung von Schaltverläufen wird deshalb die Gatekapazität häufig als konstant angenommen, während für die Millerkapazität vereinfachend zwei diskrete Werte kalkuliert werden, die bei VGS = VDS wechseln. [3]In subchapter 3.7. - Output capacitance Coss - has already been suggested that the effect of the output capacitance can also be simulated via the feedback capacity. Therefore, the determination of a corresponding characteristic was omitted. Also the switch model ET3g does not model the output capacitance. However, both the gate capacitance C GS and the miller capacitance C DG should be parameterized in the simulation so that the simulation of the switching operations is as accurate as possible. The two Interelektrodenkapazitäten are not constant, but change depending on the voltages applied to the capacitors, since the capacitances are partially formed by voltage-dependent depletion zones. The largest change in capacitance during switching occurs in C DG , since the voltage change across it is greater than over C GS . For estimating switching characteristics, therefore, the gate capacitance is often assumed to be constant, whereas for the Miller capacitance two discrete values are simplified, which change at V GS = V DS . [3]
In
dieser Arbeit soll die Modellierung der Schalterkapazitäten
auf dieser simplen Modellvorstellung aufbauen. Das Ersatzschaltbild
in
Aus
Sicht der Simulation ist es besonders wichtig, dass der Drainstrom-
und der Drain-Source-Spannungsverlauf richtig simuliert werden,
um beispielsweise die Schaltverluste abschätzen zu können.
Deshalb sollten die Kapazitäten für die Strom-
und Spannungskommutierung richtig modelliert sein. Die anderen Phasen
spielen während des Schaltvorgangs eine weniger wichtige
Rolle. Im eingeschalteten Zustand wirkt lediglich der Einschaltwiderstand
rds(on). Während der Stromkommutierung
bzw. so lange ein Strom durch den Kanal fließt, kann davon
ausgegangen werden, dass eine Parallelschaltung der beiden Kapazitäten
CGS und CDs aus Sicht des Ansteuerkreises
vorliegt (vgl.
Auf diese Weise würden während der Stromkommutierung, vom Gatekreis aus betrachtet, und während der Spannungskommutierung zwischen dem Drain- und dem Gateanschluss die richtigen Kapazitätswerte wirken. Damit wirkt in dieser Zeitspanne die richtige Kapazität fair die dV/dt-Kopplung, so dass die Spannungstransienten relativ exakt simuliert werden können. Dies beeinflusst auch die Simulationsgenauigkeit der Schaltverluste.On this way would be during current commutation, from the gate circuit, and during the voltage commutation the right capacitance values between the drain and gate Act. Thus, the correct capacity acts in this period fair the dV / dt coupling so that the voltage transients are relative can be simulated exactly. This also affects the Simulation accuracy of the switching losses.
4. Verifikation der Kapazitätskennlinien4. Verification of the capacity characteristics
4.1. Schaltermodell mit spannungsabhängiger Drain-Source-Kapazität4.1. Switch model with voltage-dependent Drain-source capacitance
Die Simulation ist eine Möglichkeit die ermittelten Kapazitätskennlinien auf ihre Richtigkeit zu überprüfen. Der benutzte Niedervolt Trench Gate MOSFET-Brückenzweig muss also durch ein geeignetes Schaltermodell nachgebildet werden. Dazu wird in den folgenden Abschnitten das zur Anwendung gekommene Schaltermodell Et3g für Niedervolt MOSFETs erläutert und dokumentiert.The Simulation is one possibility the determined capacity characteristics to check their accuracy. The used one Low-voltage trench gate MOSFET bridge branch must therefore by a suitable switch model can be modeled. This will be done in the following sections the switch model used Et3g for low-voltage MOSFETs explained and documented.
4.1.1. Eingangs- und Ausgangsgrößen des Schaltermodells4.1.1. Input and output variables of the switch model
Das Schaltermodell erhält als Eingangsgrößen
- • das Ansteuersignal X und
- • die über dem Schaltermodell abfallende Knotenspannung vk.
- • the drive signal X and
- • the node voltage v k falling over the switch model.
Ausgangsgrößen des Schaltermodells sind
- • der Schalterstrom is,
- • der Kanal- bzw. Transistorstrom it,
- • der Diodenstrom id,
- • der Gatestrom irg,
- • die Schalterspannung us,
- • die Gatespannung ugs,
- • die Spannung vrls über der Schalterinduktivität Ls und dem Schalterwiderstand Rs,
- • die Millerkapazität Crss und
- • die Zustände des Schaltermodells str.
- The switch current i s ,
- The channel or transistor current i t ,
- The diode current i d ,
- The gate current i rg ,
- The switch voltage u s ,
- The gate voltage u gs ,
- The voltage v rls across the switch inductance L s and the switch resistance R s ,
- • the Miller capacity Crss and
- • the states of the switch model str.
Dem
aufmerksamen Leser wird auffallen, dass für die zeitlich
veränderlichen Spannungen sowohl das Symbol „u"
als auch „v" verwendet wird. Diese beiden Bezeichnungen
ermöglichen dem Anwender eine Unterscheidung zwischen simulierter
Schalterspannung (u) und simulierter Messspannung (v). Während „u"
also reine Chipspannungen kennzeichnet, bezeichnet „v"
Spannungen, die Schalterinduktivitäten und -widerständen
beinhalten (vgl.
4.1.2. Zustände und Umschaltbedingungen des Schaltermodells4.1.2. States and switching conditions of the switch model
Das Simulationsmodell ist als State Maschine mit den folgenden Zuständen organisiert:
- Zustand 0: Aus
- Zustand 1: MOSFET ein, Diode aus
- Zustand 2: MOSFET aus, Diode ein
- Zustand 3: Synchronbetrieb
- Zustand 4: Reverse Recovery der Diode
- Zustand 5: Reverse Recovery der Diode und MOSFET ein
- State 0: Off
- State 1: MOSFET on, diode off
- State 2: MOSFET off, diode on
- State 3: Synchronous operation
- Condition 4: reverse recovery of the diode
- Condition 5: reverse recovery of the diode and MOSFET on
In den einzelnen Strukturzuständen werden die folgenden Größen entsprechend der Besonderheiten dieser Zustände berechnet:
- • die Schalterspannung us,
- • der Schalterstrom is,
- • der Diodenstrom id,
- • der Transistorstrom it,
- • die Spannung über der Schalterinduktivität vls und
- • die Spannung über der Schalterinduktivität und dem Schalterwiderstand vrls,
- The switch voltage u s ,
- The switch current i s ,
- The diode current i d ,
- The transistor current i t ,
- • the voltage across the switch inductance v ls and
- The voltage across the switch inductance and the switch resistance v rls ,
Auf
eine ausführliche Darstellung der verschiedenen Berechungen
dieser Größen in den einzelnen Zuständen
wird an dieser Stelle verzichtet. Im Zustand 1 und 5 wird das Ausgangskennlinienfeld
und im Zustand 2 die Diodenkennlinie durchlaufen. Die Nachbildung
der internen Inversdiode kann jedoch nur als trivial bezeichnet
werden. Während die Diode mit der statischen Diodenkennlinie
im eingeschalteten Zustand mit einer ausreichenden Genauigkeit nachgebildet
wird, bleibt das typische Einschaltverhalten der Diode unberücksichtigt.
Beim Übergang der Diode in den leitenden Zustand steigt
die Spannung zunächst auf die Einschaltspannungsspitze
VFRM an, bevor sie auf die Durchlassspannung
VF absinkt (vgl.
4.1.2. Ausgangskennlinienfeld (AKF) des Schaltermodells4.1.2. Output characteristic field (AKF) of the switch model
Grundlage der Modellierung des Ausgangskennlinienfeldes ist die Transferkennlinie (Übertragungsfunktion) des Transistors. Sowohl die Transferkennlinie als auch die Ausgangskennlinien sind statische Kennlinien. Bei vernachlässigbar kleinen internen Widerständen und Anschlusswiderständen entsprechen demzufolge die internen Chipspannungen ungefähr den Messspannungen: νDS ≈ uDS und νGS ≈ uGS The basis of the modeling of the output characteristic field is the transfer characteristic (transfer function) of the transistor. Both the transfer characteristic and the output characteristics are static characteristics. With negligible internal resistances and connection resistances, the internal chip voltages correspond approximately to the measuring voltages: ν DS ≈ u DS and ν GS ≈ u GS
4.1.3.1. Modellierung der Transferkennlinie4.1.3.1. Modeling the transfer characteristic
Die
Transferkennlinie beschreibt das Verhalten des Drainstromes ID in Abhängigkeit von der Gate-Source-Spannung
VGS bei fester Drain-Source-Spannung VDS:
Transferkennlinien können durch Polynome höherer Ordnung, die keine Polstellen in dem zulässigen Arbeitsbereich haben, nachgebildet werden. Im Schaltermodell ist für den Drainstrom der Transferkennlinie folgende Abhängigkeit von der Gate-Source-Spannung ugs umgesetzt worden: Transfer characteristics can be modeled by higher order polynomials that have no poles in the allowable range of operation. In the switch model is for the drain current of the transfer characteristic following dependence on the gate-source voltage u gs has been implemented:
Um die Ermittlung des Transferkennlinienpolynoms zu erleichtern, bietet es sich an, die Messpunkte ab der Schwellenspannung dem Curve-Fit-Programm zu übergeben und den Transistorstrom nach unten zu begrenzen mit In order to facilitate the determination of the transfer characteristic polynomial, it is advisable to transfer the measuring points from the threshold voltage to the Curve Fit program and to limit the transistor current to the lower limit
Die im Simulator vorhandenen Begrenzungsfunktionen haben jedoch immer eine untere und eine obere Grenze. Eine sinnvolle obere Grenze wäre der Strom der Ausgangskennlinie ID = f(VDS, VGS = VDr), bei dem der Schalter in die Stromsättigung geht. Allerdings liegen für diese Bereiche des Ausgangskennlinienfeldes in der Regel keine Messdaten vor, da mit den üblichen Messgeräten diese Arbeitspunkte nicht angefahren werden können bzw. aufgrund der entstehenden Verluste im Schalter sofort thermische Effekte wirken, die die Messdaten in Frage stellen würden. Deshalb wird dem Anwender empfohlen, als obere Grenze einen maximalen Stromwert anzugeben, der ungefähr dem 5 bis 6-fachen Nennstrom des Schalters entspricht. Dieser Drainstrom liegt in Bereichen des Ausgangskennlinienfeldes, die in der Regel weder im Schaltbetrieb noch im Kurzschlussfall erreicht werden, und hat somit keinen Einfluss auf die Simulation. Die angedeutete Stromsättigung wird im Übrigen auch schon durch die nachfolgend erläuterte Modellierung des Ausgangskennlinienfeldes umgesetzt.However, the limiter functions present in the simulator always have a lower and an upper limit. A reasonable upper limit would be the current of the output characteristic I D = f (V DS , V GS = V Dr ) at which the switch goes into current saturation. However, there are usually no measured data for these areas of the output characteristic field, since these operating points can not be approached with the usual measuring devices or, due to the resulting losses in the switch, immediate thermal effects act which would call the measured data into question. Therefore, it is recommended that the user specify as upper limit a maximum current value, which corresponds approximately to the 5 to 6 times the rated current of the switch. This drain The current lies in the output characteristic field, which is usually not reached in either switching operation or in the event of a short circuit, and thus has no influence on the simulation. Incidentally, the indicated current saturation is also already implemented by the modeling of the output characteristic field explained below.
4.1.3.2. Modellierung des Ausgangskennlinienfeldes4.1.3.2. Modeling the output characteristic field
Eine
Ausgangskennlinie beschreibt die Abhängigkeit des Drainstromes
ID als Funktion der Drain-Source-Spannung
mit der Gate-Source-Spannung als Parameter:
Die
nachfolgend zur mathematischen Nachbildung verwendeten Bezeichnungen
entsprechen den im Modell verwendeten Bezeichnungen. Da im Schaltermodell
mit einer Stromeinprägung gerechnet wird, beziehen sich
die folgenden Erläuterungen und die dazugehörige
Die Modellierung des Aktiven Bereiches kann durch die Erzeugung einer Parallelenschar erfolgen, da der Anstieg rs im Stromsättigungsbereich aller Ausgangskennlinien ungefähr gleich und nahezu fair den gesamten Bereich konstant ist: The modeling of the active region can be done by generating a parallel set, since the slope r s in the current saturation region of all output characteristics is approximately equal and almost fair the entire region constant:
Aus
der Transferkennlinie kann für jede Gate-Source-Spannung
ein Punkt (uds_trans; it_trans)
der entsprechenden Ausgangskennlinie ermittelt werden (vgl.
Durch
Einsetzen des Punktes (uds_trans; it_trans) in die Parallelengleichung kann
der Schnittpunkt ni mit der VDS-Achse
ermittelt werden:
Die
Parallelenschar kann also allgemein durch die folgende Gleichung
erfasst und im Schaltermodell umgesetzt werden:
Es ist darauf hinzuweisen, dass die Ausgangskennlinien für Gate-Source-Spannungen unter der Schwellenspannung (VGS ≤ ) aufeinander liegen. Deutlich wird auch, dass die Nachbildung der Übertragungsfunktion die Qualität des Aktiven Bereiches beeinflusst, weil sie die Lage der Ausgangskennlinien festlegt.It should be noted that the output characteristics for gate-source voltages below the threshold voltage (V GS ≤ ) lie on one another. It is also clear that the simulation of the transfer function influences the quality of the Active Area because it determines the position of the output characteristics.
Das Kennlinienfeld muss begrenzt werden. Beim Überschreiten der Durchbruchspannung steigt der Strom sehr stark an. Oberer Grenzwert ist demzufolge die Avalanche-Spannung VAV des Schalters. Nach unten ist das Kennlinienfeld durch den Ohmschen Bereich beschränkt. Der Einschaltwiderstand rds(on) ist bei MOSFETs besonders spannungs abhängig. Deshalb wurde der ohmsche Bereich der Ausgangskennlinien mit einer Geradenschar modelliert: The characteristic field must be limited. When the breakdown voltage is exceeded, the current increases very strongly. The upper limit is therefore the avalanche voltage V AV of the switch. Down the characteristic field is limited by the ohmic range. The on-resistance r ds (on) is particularly voltage-dependent for MOSFETs. Therefore, the ohmic range of the output characteristics was modeled with a straight line:
Die Geraden gehen durch den Ursprung und ihr Anstieg m wird in Abhängigkeit von der Gate-Source-Spannung bestimmt. Zur Identifizierung der dazu notwendigen Parameter werden gemessene rds(on)-Kennlinien als lineare Gleichungen approximiert und für die so ermittelten Anstiege ein Polynom m = f(ugs) bestimmt: The straight lines go through the origin and their rise m is determined as a function of the gate-source voltage. To identify the necessary parameters, measured r ds (on) -Kenn approximates lines as linear equations and determines a polynomial m = f (u gs ) for the ascents thus determined:
Dieses Polynom darf über den gesamten Definitionsbereich der Gatespannung keine Polstellen haben und wird im Simulator nach oben und unten begrenzt, um das Finden eines passenden Polynoms zu erleichtern. Der Wechsel vom Ohmschen in den Aktiven Bereich ist stark vereinfacht. Um den Übergang in die Begrenzungen stetiger zu modellieren, gibt es einen Softknee-Faktor für die obere und untere Grenze (SK_o und SK_u).This Polynomial is allowed over the entire domain of gate voltage have no poles and is in the simulator up and down limited to facilitate finding a matching polynomial. The change from Ohm to Active is greatly simplified. To more steadily model the transition to the boundaries, There is a softknee factor for the top and bottom Border (SK_o and SK_u).
4.1.4. Durchlassverhalten der Diode4.1.4. Transmittance behavior of the diode
Die Durchlasskennlinie der Inversdiode kann entsprechend durch ein Polynom nachgebildet werden. Da das Modell von einer Stromeinprägung ausgeht, wird das folgende Polynom im Simulator umgesetzt, was der Umkehrfunktion der Diodenkennlinie entspricht: The transmission characteristic of the inverse diode can be simulated correspondingly by a polynomial. Since the model assumes a current injection, the following polynomial is implemented in the simulator, which corresponds to the inverse function of the diode characteristic:
Auch hier muss sichergestellt werden, dass der Definitionsbereich keine Polstellen enthält. Eine Begrenzung der Funktion besteht im vorhandenen Modell noch nicht, der Einbau wäre jedoch zur Ausgrenzung möglicher Polstellen empfehlenswert.Also here it must be ensured that the domain of definition is no Contains poles. A limitation of the function exists in the existing model not yet, but the installation would be to exclude possible poles recommended.
4.1.5. Modellierung des Gatekreises4.1.5. Modeling the gate circuit
Der
Gatekreis wird mit den folgenden Gleichungen aufgebaut (vgl.
Das Schaltermodell fasst alle Widerstände und Induktivitäten des Schalters zusammen und unterscheidet nicht nach Source-, Drain- und Anschlussinduktivitäten bzw. internen Widerständen und Anschlusswiderständen. Deshalb wurde der Faktor Ki zur Simulation der di/dt-Rückkopplung eingeführt (vgl. Abschnitt. 2.2.1.). Ki ergibt sich aus dem Verhältnis der Sourceinduktivität zur Schalterinduktivität: The switch model combines all the resistors and inductances of the switch and does not differentiate between source, drain and connection inductances or internal resistances and connection resistances. Therefore, the factor Ki has been introduced to simulate di / dt feedback (see Section 2.2.1.). Ki results from the ratio of the source inductance to the switch inductance:
Neben den in Abschnitt 4.1.2. – Zustände und Umschaltbedingungen des Schaltermodells – beschriebenen Zuständen unterscheidet das Modell mit Hilfe des Ansteuersignals X, ob die Treiberspannung Udr anliegt oder nicht.In addition to those in Section 4.1.2. - States and switching conditions of the switch model - states described the model distinguishes by means of the drive signal X, whether the driver voltage U dr applied or not.
4.1.6. Modellierung der spannungsabhängigen Drain-Source-Kapazität4.1.6. Modeling the voltage-dependent Drain-source capacitance
Die Modellierung einer spannungsabhängigen Kapazität Crss für die Simulation der dv/dt-Rückkopplung (vgl. Abschnitt 2.3.2. – dVDS/dt – Rückkopplung durch die Drain-Gate-Kapazität) wird ebenfalls mit einem Polynom realisiert. Da die Schaltverläufe relativ empfindlich auf Kapazitätsveränderungen reagieren, wurde ein Polynom 5. Grades verwendet, um eine möglichst genaue Nachbildung der Kennlinie zu ermöglichen: The modeling of a voltage-dependent capacitance Crss for the simulation of the dv / dt feedback (see Section 2.3.2 - dVDS / dt - Feedback through the drain-gate capacitance) is also realized with a polynomial. Since the switching characteristics are relatively sensitive to changes in capacitance, a polynomial of the fifth degree was used to enable the most accurate simulation of the characteristic curve:
Da
bei Polynomen höherer Ordnung mehr Polstellen auftreten
und es demzufolge schwieriger ist ein Polynom zu finden, das über
den gesamten Definitionsbereich keine Polstellen hat, wurde neben
der Begrenzung von Cm auch eine Begrenzung der Drain-Gate-Spannung
im Simulator ermöglicht. Die Drain-Gate-Spannung verändert
sich im Laufe eines Schaltvorganges zwischen der negativen Treiberspannung
im eingeschalteten und der Zwischenkreisspannung im ausgeschalteten
Zustand und kann beim Ausschalten aufgrund der entstehenden Überspannung
auch über die Zwischenkreisspannung hinaus ansteigen. In
diesem Bereich der Drain-Source-Spannung ist die Millerkapazität
jedoch annähernd konstant, sodass, falls eine Begrenzung
in diese Richtung notwendig wird, die Genauigkeit der Simulation
weitgehend erhalten bleibt. Die eingeschränkte Funktion
Cm' kann dann mit dem Offset Om verschoben werden:
Der Verschiebestrom idg ergibt sich aus: The displacement current i dg results from:
4.2. Parametrierung des Schaltermodells im Tiefsetzsteller4.2. Parameterization of the switch model in the buck converter
4.2.1. Parameter des Modells4.2.1. Parameter of the model
Das
Schaltermodell Et3g hat die folgenden Parameter: Parameter
des Ausgangskennlinienfeldes
Dabei ist zu beachten, dass sich die Einheiten von Cm_u, Cm_o, Om und Tu aus der Einheit der gefitteten Millerkapazitätskennlinie ergeben. Wurde beispielsweise die Millerkapazität [nF = 10–9F] in Abhängigkeit von der Drain-Gate-Spannung vdg [V] gefittet, so ist Tu = 10–9 und die einzustellenden Werte Um_u, Um_o, Cm_u, Cm_o und Om haben ebenfalls die Einheit nF.It should be noted that the units of Cm_u, Cm_o, Om and Tu are the unit of fit Miller capacity curve. If, for example, the Miller capacitance [nF = 10 -9 F] has been fitted as a function of the drain-gate voltage v dg [V], then Tu = 10 -9 and the values Um_u, Um_o, Cm_u, Cm_o and Om are also set the unit nF.
4.2.2. Bestimmung der Parameter des Schaltermodells4.2.2. Determination of the parameters of the switch model
Um die Plausibilität der ermittelten Kapazitätskennlinien zu überprüfen, müssen zunächst alle schalterspezifischen Parameter für den vorliegenden MOSFET-Brückenzweig aus dem Datenblatt bzw. aus den Messungen ermittelt werden. Die folgenden Abschnitte können jedoch nicht zum Ziel haben, die Induktivitäten und Kennlinien genau zu ermitteln. Es geht vielmehr darum, Größenordnungen zu finden, um das Schaltermodell mit realistischen Parameter zu versorgen. Die Messdaten werden jedoch nur an einem Muster aufgenommen, sodass keine Streuungen berücksichtigt werden und Mittelwerte gebildet werden. Eine genauere Ermittlung der Werte kann schon aus diesem Grund nicht sinnvoll sein. Deshalb wird auch auf eine Fehlerbetrachtung verzichtet. Stattdessen werden nur einige Fehlerquellen genannt:
- • Quantisierungsfehler der AD-Wandlung im Oszilloskop und im Curve Tracer
- • Offsetfehler des Oszilloskops und des Curve Tracers
- • Bit-Auflösung des Oszilloskops und des Curve Tracers
- • Tastköpfe
- • Pearsonsonde
- • Rauschen
- • ...
- • Quantization error of the AD conversion in the oscilloscope and in the Curve Tracer
- • Offset error of the oscilloscope and the Curve Tracer
- • Bit resolution of the oscilloscope and the Curve Tracer
- • probes
- • Pearson probe
- • Noise
- • ...
4.2.2.1. Parameter des Ausgangskennlinienfeldes und der Diodenkennlinie4.2.2.1. Parameters of the output characteristic field and the diode characteristic
Die
Koeffizienten der in
- t0 = –354,85082
- t1 = 315,39758
- t2 = –93,802305
- t3 = 9,339166
- t4 = 1,
- t5 = –0,56186353
- t6 = 0,098355257
- t7 = –0,0017673537.
- t 0 = -354,85082
- t 1 = 315.39758
- t 2 = -93.802305
- t 3 = 9.339166
- t 4 = 1,
- t 5 = -0.56186353
- t 6 = 0.098355257
- t 7 = -0.0017673537.
Aus der Messung wurde eine Schwellenspannung Uth = 3,2 V bestimmt.From the measurement, a threshold voltage U th = 3.2 V was determined.
Der
Faktor rs lässt sich aus dem gemessenen
Kennlinienfeld nur sehr schwer auswerten. Der Anstieg der Kennlinien
ist nicht nur innerhalb einer Ausgangskennlinie unterschiedlich,
sondern rs ist auch von Kennlinie zu Kennlinie
verschieden. Da es sich bei einem Modell um eine vereinfachte Abbildung
der Realität handelt, wurde – zu Gunsten der Rechengeschwindigkeit
und auf Kosten der Genauigkeit – ein konstanter Anstieg
aller Ausgangskennlinien im Aktiven Bereich angenommen. Betrachtet
man die
Die Avalanche-Spannung des Schalters liegt laut Datenblatt bei 75 V [27].The Avalanche voltage of the switch is according to the data sheet at 75 V. [27].
Die
Koeffizienten des Polynomswurden mit Hilfe von TableCurve
2D mit folgenden Werten bestimmt (vgl.
- rds0 = 0.040194805
- rds1 = 0
- rds2 = 0,0015956115
- rds3 = 0
- rds4 = 0,22509648
- rds 0 = 0.040194805
- rds 1 = 0
- rds 2 = 0.0015956115
- rds 3 = 0
- rds 4 = 0.22509648
Die
Abbildungen
Bei der Erzeugung des Ausgangskennlinienfeldes im Simulator wurde auch analysiert, welche Softknee-Faktoren das beste Resultat liefern. Das Ergebnis dieser Analyse ist, dass mit Hilfe dieser Faktoren der Übergang vom Ohmschen in den Aktiven Bereich nicht nachbildbar ist. Die so genannten RDS(on)-Geraden sind keine Geraden und weichen von den approximierten Geraden bei steigender Drain-Source-Spannung immer weiter ab, so dass hier bei der Simulation Fehler gemacht werden. Der Effekt wird bei höheren Gatespannungen beständig stärker. Die Abbildungen verdeutlichen, dass der Ohmsche Bereich sonst relativ genau ist und kaum simulative Fehler gemacht werden. Der Aktive Bereich scheint unterhalb des Nennstromes relativ gut zu simulieren. Es zeigt sich jedoch, dass die vereinfachende Annahme, rs sei konstant, zu Ungenauigkeiten führt. Je länger sich der Transistor in diesen fehlerhaften Gebieten aufhält, umso wichtiger ist die genaue Nachbildung für beste Simulationsergebnisse. In diesem Zusammenhang sollte man erwägen, ob es nicht effektiver wäre, die Übertragungsfunktion und das AKF sehr genau zu messen, die so ermittelten Messwerte direkt für die Simulation zu verwenden und zwischen den gemessenen Punkten linear zu interpolieren, statt die relativ aufwendige Ermittlung der Parameter aus den Messdaten durchzuführen.When generating the output characteristic field in the simulator, it was also analyzed which soft-edge factors produce the best result. The result of this analysis is that with the help of these factors, the transition from the ohmic to the active region is not replicable. The so-called R DS (on) lines are not straight lines and deviate from the approximated straight lines as the drain-source voltage increases, so that errors are made here during the simulation. The effect is consistently stronger at higher gate voltages. The pictures make it clear that the Ohm's range is otherwise relatively accurate and that hardly any simulative errors are made. The active range seems to simulate relatively well below the nominal current. It turns out, however, that the simplistic assumption that r s is constant leads to inaccuracies. The longer the transistor stays in these defective areas, the more important is the exact replica for best simulation results. In this context, it should be considered whether it would be more effective to measure the transfer function and the ACF very precisely, to use the measurements thus obtained directly for the simulation and to interpolate linearly between the measured points, rather than the relatively complex determination of the parameters to carry out the measurement data.
Die
Koeffizienten der Diodenkennliniewurden mit Hilfe von TableCurve
2D mit folgenden Werten bestimmt (vgl.
- d0 = 0,22908059
- d1 = 0,47814107
- d2 = 0,0030868108
- d3 = 0,78775813
- d4 = 0,00023899839
- d 0 = 0.22908059
- d 1 = 0.47814107
- d 2 = 0.0030868108
- d 3 = 0.78775813
- d 4 = 0.00023899839
4.2.2.2. Bestimmung der Induktivitäten und Widerstände4.2.2.2. Determination of inductances and resistances
Das Schaltermodell unterscheidet nicht zwischen den internen Induktivitäten und Anschlussinduktivitäten, sondern verarbeitet lediglich die Schalterinduktivität Ls. Aufgrund der Faktoren Ki und Krls kann in Ls neben der eigentlichen Schalterinduktivität zusätzlich auch die Zwischenkreisinduktivität enthalten sein. Trotzdem messen aus den Messdaten des Industriesamples möglichst viele Informationen über die einzelnen Induktivitäten gewonnen werden, damit die Simulationsparameter Ki und Krls reale Werte erhalten können. Die Ermittlung des di/dt – Rückkopplungsparameters Ki erfolgt, wie zuvor erläutert, mit der Gleichung (4.16). Zur Bestimmung der Messspannung ergibt sich für den Parameter Krls: The switch model does not differentiate between the internal inductances and the connection inductances, but only processes the switch inductance L s . Due to the factors Ki and Krls in L s ne ben the actual switch inductance in addition, the DC link inductance may be included. Nevertheless, as much information as possible about the individual inductances can be obtained from the measurement data of the industrial sample so that the simulation parameters Ki and Krls can obtain real values. The determination of the di / dt feedback parameter Ki takes place, as explained above, with the equation (4.16). For the determination of the measuring voltage results for the parameter Krls:
Der
prinzipielle Aufbau der Tiefsetzstellerschaltung, die zur Gewinnung
der Messdaten verwendet wurde, ist in
Die Zwischenkreisinduktivität wurde näherungsweise berechnet. Sie ergibt sich als Quotient aus der Differenz zwischen dem Maximalwert der Halbbrückenspannung VHBmax und dem Mittelwert der Halbbrückenspannung im ein- und ausgeschalteten Zustand (VHBoff und VHBon) und dem Stromanstieg während der Spannungsspitze ΔID/Δt: The DC link inductance was calculated approximately. It results as a quotient of the difference between the maximum value of the half-bridge voltage V HBmax and the mean value of the half-bridge voltage in the switched on and off state (V HBoff and V HBon ) and the current increase during the voltage peak ΔI D / Δt:
Die
unterschiedlichen Halbbrückenspannungen im ein- und ausgeschalteten
Zustand kommen durch den ohmschen Widerstand RDClink im
Zwischenkreis zustande. Wenn der untere Schalter T2 eingeschaltet
ist, dann fließt im Zwischenkreis ein Strom, der über diesen
Widerständen einen Spannungsabfall verursacht, welcher
die Halbbrückenspannung VHB verringert:
Dagegen
ist
Während
der Stromkommutierung sinkt VR_DClink von
Der
Mittelwert der Drain-Source-Spannung im ausgeschalteten Zustand
VDSoff, der Diodendurchlassspannung VF und der Halbbrückenspannung im
eingeschalteten Zustand VHBon wurde wieder
als Vereinfachung benutzt, um zu berücksichtigen, dass
zu Beginn der Stromkommutierung
Die
Ergebnisse der Auswertung der Messdaten sind in folgender Tabelle
zusammengefasst:
Diese Ergebnisse für die Zwischenkreisinduktivität LDClink und die Induktivität L1 des oberen Schalters wurden an den Einschaltverläufen vom unteren Schalter T2 bei Tj = 125°C, VDC = 30 V und RG = 10 Ω für verschiedene Lastströme IL überprüft (vgl. These results for the DC link inductance L DClink and the inductance L 1 of the upper switch were checked at the switch-on characteristics of the lower switch T 2 at T j = 125 ° C., V DC = 30 V and R G = 10 Ω for different load currents I L see.
Dabei
stehen VHBmin(+di/dt) und VDSmin(+di/dt) für
die Spannungsminima, die während des positiven Stromanstieges
erreicht werden (vgl.
Zur
Bestimmung der Induktivität L2 des
unteren Schalters und zur Verifizierung der Zwischenkreisinduktivität
LDClink wurden Messdaten ausgewertet, die
allerdings nur für das Ausschalten von T1 für
zwei verschiedene Gatewiderstände RG und
Lastströme IL vorlegen.
Die zweite Messung erfolgte am oberen Schalter, wo als Massebezugspunkt + VDClink gewählt wurde. Die Daten mussten demzufolge vor der Auswertung invertiert und mit einem Offset versehen werden, bevor die notwendigen Spannungswerte abgelesen werden konnten. Die gesuchten Induktivitäten lassen sich dann wie folgt berechnen: The second measurement was made at the upper switch, where + VDClink was selected as ground reference point . Consequently, the data had to be inverted and offset before the evaluation before the necessary voltage values could be read. The desired inductances can then be calculated as follows:
Die
Ergebnisse sind in nachstehender Tabelle zusammengefasst. Dabei
ist zu beachten, dass die Verwendung von zwei verschiedenen Messungen
zur Ermittlung der notwendigen Parameter zu fehlerbehafteten Ergebnissen
führen kann.
Der
Zwischenkreisinduktivitätswert LDClink wurde
noch einmal gefestigt, es fällt jedoch auf, dass die Induktivität
des unteren Schalters ungefähr dreimal so groß ist
wie die des oberen Schalters. Diese Feststellung wird durch eine
Analyse der Aufbauzeichnung des verwendeten Trench Power MOSFETs
bestätigt. Auf Basis der Messdatenauswertung sind LDClink = 9 nH, L1 =
2,5 nH und L2 = 7 nH festgelegt und folgende
Transistorinduktivitäten und Krlm-Werte
bestimmt worden (vgl. Gleichung (4.20)). Dabei wurde den Schalterinduktivitäten anteilig
die Hälfte der Zwischenkreisinduktivität zugerechnet.
Die
Abschätzung der Einzelinduktivitäten erfolgte
mit Hilfe der Aufbauzeichnung. Da von einer Laststromeinprägung
ausgegangen wird, ist der Spannungsabfall über der Lastinduktivität
vernachlässigbar. Demzufolge bestehen die ermittelten Induktivitätswerte
Ls1 und Ls2 nur
aus den entsprechenden Source- und Draininduktivitäten.
Unter der Annahme, dass die mittlere Stromweglänge proportional
zur Induktivität ist, wurden aus dem Längenverhältnis
von der Source- zur Draininduktivität vom oberen und unteren
Schalter die Teilinduktivitäten abgeschätzt und
die entsprechenden Ki-Werte für die Simulation festgelegt
(vgl. Gleichung (4.16)):
4.2.3. Einbindung des parametrierten Schaltermodells in den Tiefsetzsteller4.2.3. Integration of the parameterized switch model in the buck converter
Das R-C-Glied, das in der zugehörigen Messschaltung nicht enthalten ist, stellt ein Hilfsmittel dar, um im Stromlückbereich das Potential zwischen den beiden Schaltern bestimmen zu können. In Abhängigkeit von den Kapazitätsverhältnissen der beiden Schalter kann dies nämlich von UDClink/2 abweichen. Mit Hilfe dieses R-C-Gliedes können Schwingungsfrequenzen und Amplituden eingestellt werden. In diesem Zusammenhang besteht jedoch noch Analysebedarf, welche physikalischen Größen durch dieses Glied nachgebildet werden, die im Modell sonst nicht enthalten sind. Damit stellen Rb und Cb zwei Parameter dar, die noch durch Probieren eingestellt werden müssen. Es ist jedoch zu vermuten, dass in diesen Parametern evt. die im Schaltermodell nicht weiter berücksichtigte Ausgangskapazität und die parasitäre ohmsche und kapazitive Impedanz der Lastspule enthalten sind. Entsprechende Konsequenzen für die Modellierung der Tiefsetzstellerschaltung, wie beispielsweise, dass das Hilfsglied parallel zur Lastspule zu implementieren ist, können jedoch erst nach weiterführenden Untersuchungen gezogen werden.The RC element, which is not included in the associated measurement circuit, is an aid to be able to determine the potential between the two switches in the current leakage region. Depending on the capacity ratios of the two switches, this may differ from U DClink / 2. With the help of this RC element vibration frequencies and amplitudes can be adjusted. In this context, however, there is still a need for analysis, which physical variables are modeled by this member, which are otherwise not included in the model. Thus, R b and C b represent two parameters that still have to be set by trial and error. However, it may be assumed that the output capacitance and the parasitic ohmic and capacitive impedance of the load coil, which are not further taken into consideration in the switch model, are possibly contained in these parameters. Corresponding consequences for the modeling of the step-down converter circuit, such as, for example, that the auxiliary element is to be implemented parallel to the load coil, can, however, only be drawn after further investigations.
Neben der sich aus Gleichung (4.31) ergebenden Knotenspannung vk des spannungs-eingeprägten Schaltermodells ist das Ansteuersignal X eine weitere Eingangsgröße des Schaltermodells. Zur Erzeugung dieses Signals wird in der Simulation ein Ansteuerautomat verwendet.In addition to the node voltage v k of the voltage-impressed switch model resulting from equation (4.31), the drive signal X is a further input variable of the switch model. To generate this signal, an automatic control unit is used in the simulation.
Damit
ergeben sich für die Simulation zusätzlich zu
den Parameter des Schaltermodells folgende weitere Parameter: Parameter
des Ansteuerautomaten:
4.2.4. Zusammenfassung der Parameter des verwendeten Messaufbaus4.2.4. Summary of the parameters of the used measurement setup
Parameter
des Ausgangskennlinienfeldes Koeffizienten
der Transferkennlinie:
4.3. Untersuchung der Kapazitätskennlinie in einem Arbeitspunkt4.3. Investigation of the capacity characteristic in one working point
Da die Parametrierung von Schalterkapazitäten in Schaltermodellen relativ problematisch ist, wurde der Schwerpunkt der Arbeit „Parameterextraktion einer Niedervolt Trench Gate MOSFET-Halbbrücke und Nachbildung in einem zustandsgesteuerten Verhaltensmodell" auf die Bestimmung und Verifikation von Schalterkapazitäten, vor allem von der Rückwirkungskapazität gelegt. Das Unterkapitel 4.3. soll die Plausibilität der in Kapitel 3 – Ermittlung der Kapazitäten mittels transienter Analyse – bestimmten Kennlinien verdeutlichen. Die Untersuchungen wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit als letztes durchgeführt. Die Ergebnisse sind deshalb auf dem höchsten Erkenntnisstand. Das bedeutet, dass sowohl eine Offsetkorrektur des Gatestromes der verwendeten Messdaten vorgenommen wurde als auch die parasitären Elemente berücksichtigt wurden. In Unterkapitel 3.8. – Modellvorstellung der Schalterkapazitäten fair die Simulation – ist bereits erläutert worden, dass die Gatekapazität für das dokumentierte Schaltermodell ET3g als konstant angesehen werden soll. Für konstante Kapazitäten gelten folgende Gleichungen Since the parameterization of switch capacities in switch models is relatively problematic, the focus of the work "Parameter extraction of a low-voltage Trench Gate MOSFET half-bridge and simulation in a state-controlled behavioral model" has been focused on the determination and verification of switch capacitance, especially of the retroactivity The aim of this study is to clarify the plausibility of the characteristics determined in Chapter 3 - Determining the Capacities by means of Transient Analysis - The investigations were carried out last in the present work, which means that the results are at the highest level of knowledge, which means that both offset correction of the gate current the measured data used was taken as well as the parasitic elements were taken into account In subchapter 3.8 - model concept of the switch capacitances fair the simulation - has already been explained that the gate capacitance for the documented switch model ET3g should be regarded as constant. For constant capacities, the following equations apply
Letztere wurde bei der Modellierung des Gatekreises verwendet (vgl. Abschnitt 4.1.5. – Modellierung des Gatekreises – Gleichung (4.15)). Weiterhin wurde dargelegt, dass sämtliche Nichtlinearitäten in die Rückwirkungskapazität gesteckt werden. Dass es bezüglich des resultierenden Stromes durch eine nichtlineare Kapazität keinen Unterschied macht, ob die differentielle Kapazität oder die Großsignalkapazität angesetzt wird, ist in Unterkapitel 3.2 – Nichtlineare Kapazität – Großsignal- und Kleinsignalkapazität – gezeigt worden. Da die Stromgleichung der differentiellen Kapazität eine einfachere Struktur hat (vgl. Abschnitt 3.2. Gleichung (3.2)), wurde sie bei der Modellierung des Verschiebe- bzw. Koppelstromes durch die Rückwirkungskapazität verwendet (vgl. Abschnitt 4.1.6. – Modellierung der Drain-Gate-Kapazität – Gleichung (4.19)).Latter was used in the modeling of the gate circuit (see section 4.1.5. - Modeling the gate circuit - Equation (4.15)). Furthermore, it was shown that all nonlinearities be put into the reaction capacity. That it is related to the resulting current through a nonlinear capacity does not matter if the differential capacitance or the large signal capacity is stated in subsection 3.2 - Nonlinear Capacitance - large signal and small signal capacity - shown Service. As the current equation of the differential capacitance has a simpler structure (see Section 3.2, Equation (3.2)) in the modeling of the displacement or coupling current through the reaction capacity is used (see section 4.1.6. - Modeling the drain-gate capacitance - Equation (4.19)).
Zur
Parametrierung der Rückwirkungskapazität wird
nun aufgrund der Abhängigkeit der Kennlinie von der Schaltgeschwindigkeit
im Bereich der Zwischenkreisspannung die Ausschaltkennlinie der
differentiellen Kapazität Crssdiff(RG = 10 Ω) gewählt, da in
diesem Unterkapitel nur die Schaltverläufe für
die Nennbetriebsbedingungen (IL = 150 A;
RG = 10 Ω; Tj =
25°C und VDClink = 30 V) betrachtet
werden. Bei den Untersuchungen im Unterabschnitt 3.5.2.2. – Differentielle
Rückwirkungskapazität Crssdiff(RG) – wurde der Gatestrom nicht korrigiert.
Deshalb wird die Kennlinie noch einmal für einen Widerstand
von 10 Ω ermittelt und mittels TableCurve 2D gefittet.
Die
Nachfolgend
werden erste Ergebnisse der Simulation dokumentiert und kurz kommentiert
(
- • Der (konstante) Gatewiderstand spiegelt die ohmschen Verhältnisse im Gatekreis nicht richtig wider.
- • Die Rückwirkungskapazität ist in diesem Bereich zu groß.
- • Die Gatekapazität CGS ist zu groß.
- • The (constant) gate resistance does not correctly reflect the ohmic conditions in the gate circuit.
- • The reaction capacity is too large in this area.
- • The gate capacitance C GS is too large.
Generell sollte – falls weitere Verbesserungen der Simulation angestrebt werden – zuerst die Modellierung des Gatekreises neu überdacht und dann entsprechende Untersuchungen durchgeführt werden.As a general rule should - if further improvements of the simulation are desired - first, the modeling of the gate circuit is reconsidered and then carry out appropriate investigations.
Die
Einschaltverläufe sind in den Abbildungen
Im Anschluss an die Betrachtungen dieses Unterkapitels sollen noch zwei Anmerkungen gemacht werden:
- 1. Sowohl für das Ein- als auch das Ausschalten muss verdeutlicht werden, dass vermutlich weder die Mess- noch die Simulationsverläufe die tatsächlichen Verhältnisse vollkommen richtig widerspiegeln. Viel wahrscheinlicher ist es, dass die tatsächlichen Verläufe irgendwo zwischen Simulation und Messung liegen.
- 2. Trotz aller Abweichungen und Fehler, die durch die einfache Modellvorstellung der Schalterkapazitäten entstehen, machen die Untersuchungen in diesem Unterkapitel deutlich, dass es zur Erzielung guter Simulationsergebnisse nicht notwendig ist, die Halbleiterphysik im Inneren der Schalter nachzubilden. Aus Messungen können Parameter bestimmt werden, die das Ergebnis dieser halbleiterphysikalischen Vorgänge sind und eine relativ exakte Parametrierung von zustandsgesteuerten Verhaltensmodellen ermöglichen.
- 1. It must be made clear for both switching on and off that presumably neither the measurement nor the simulation progressions fully reflect the actual conditions. It is much more likely that the actual courses are somewhere between simulation and measurement.
- 2. Despite all the deviations and errors that result from the simple modeling of the switch capacities, the investigations in this subchapter make it clear that in order to obtain good simulation results, it is not necessary to simulate the semiconductor physics inside the switches. From measurements, parameters can be determined that are the result of these semiconductor physical processes and allow a relatively accurate parameterization of state-controlled behavioral models.
4.4. Arbeitspunktuntersuchungen4.4. Bias studies
4.4.1. Definition von Kennwerten zur Bewertung der Simulation4.4.1. Definition of characteristic values for evaluation the simulation
Die
Parametrierung des Schaltermodells erfolgte für einen schnell
schaltenden Niedervolt Trench Gate MOSFET-Brückenzweig
mit sehr niedrigem Einschaltwiderstand RDS(on)
und integrierter Inversdiode. Die Bewertung des Modells mit den
ermittelten Parameter für den Brückenzweig soll
nicht durch den Vergleich der Strom- und Spannungsverläufe,
sondern durch den Vergleich von Kennwerten erfolgen. Daraus resultiert
eine objektivere Gegenüberstellung, die nicht nur qualitative,
sondern auch quantitative Aussagen ermöglicht. Die in MOSFET-Datenblättern
angegebenen Schaltzeiten und Schaltenergien sind bei ohmscher Last
definiert. Die Spannungs- und Stromverläufe bei rein ohmscher
Last sind jedoch für die meisten Anwendungen nicht relevant.
Auch ergeben sich bei ohmsch-induktiver Last deutlich andere Kurvenverläufe.
Zur Beurteilung der Simulationsergebnisse des Schaltermodells werden
deshalb entsprechend IGBT-Definitionen angewendet, um die Ein- und
Ausschaltkennwerte aus den Simulations- und Messdaten zu bestimmen
(vgl.
Einschaltkennwerte des TransistorsTurn-on characteristics of the transistor
Das Zeitintervall zwischen dem Zeitpunkt, zu dem die Gate-Source-Spannung VGS 10% ihres Endwertes erreicht, und demjenigen, zu dem der Drainstrom ID auf 10% des Laststromes angestiegen ist, wird als Einschaltverzögerungszeit td(on) bezeichnet. Als Anstiegszeit tr wird die daran anschließende Zeitspanne bezeichnet, in der der Drainstrom von 10% auf 90% des Laststromes ansteigt. Die Summe aus Einschaltverzögerungszeit und Anstiegszeit wird als Einschaltzeit ton bezeichnet.The time interval between the time at which the gate-source voltage V GS reaches 10% of its final value and that at which the drain current I D has risen to 10% of the load current is referred to as the turn-on delay time t d (on) . The rise time t r denotes the subsequent period in which the drain current increases from 10% to 90% of the load current. The sum of turn-on delay time and rise time is referred to as on-time t on .
Die Einschaltverlustenergie Eon wird durch Integration der Einschaltverlustleistung Pon von Beginn der Einschaltzeit bis zu dem Zeitpunkt ermittelt, zu dem der Drainstrom nach dem Rückstromabriss gleich dem Laststrom wird. In der Einschaltverlustenergie ist deshalb auch der Einfluss der Rückstromspitze der Freilaufdiode enthalten.The turn- on loss energy E on is determined by integrating the turn- on power loss P on from the start of the turn-on time to the time when the drain current after the reverse current break becomes equal to the load current. The switch-on loss energy therefore also includes the influence of the reverse-current peak of the free-wheeling diode.
Ausschaltkennwerte des TransistorsTurn-off characteristics of the transistor
Das Zeitintervall zwischen dem Zeitpunkt, zu dem die Gate-Source-Spannung VGS auf 90% ihres Einschaltendwertes abgefallen ist, und demjenigen, zu dem der Drainstrom ID auf 90% des Laststromes gesunken ist, wird als Ausschaltverzögerungszeit td(off) bezeichnet. Als Abfallzeit tf wird die anschließende Zeitspanne bezeichnet, in der der Drainstrom von 90% auf 10% des Laststromes abfällt. Die Ausschaltzeit toff ergibt sich als Summe aus Ausschaltverzögerungs- und Abfallzeit.The time interval between the time at which the gate-source voltage V GS has dropped to 90% of its Einschaltendwertes and that at which the drain current I D has fallen to 90% of the load current is referred to as off delay time t d (off) , The fall time t f is the subsequent period in which the drain current drops from 90% to 10% of the load current. The switch-off time t off is the sum of the switch-off delay and the fall time.
Die Ausschaltverlustenergie Eoff erfasst die Verluste vom Beginn der Ausschaltzeit bis zu dem Zeitpunkt, wo der Drainstrom ID ≈ 0,01·IL ist.The turn- off loss energy E off detects the losses from the start of the turn-off time to the time when the drain current I D ≈ 0.01 * I L.
Ausschaltkennwerte der DiodeTurn-off characteristics of the diode
Die
Sperrverzögerungszeit trr wird
im Rahmen dieser Arbeit definiert als die Zeit zwischen den beiden Diodenstromnulldurchgängen.
Sie unterteilt sich entsprechend der Abbildung
Die Ausschaltverluste EoffD werden während der Abfallzeit durch Integration der Ausschaltverlustleistung PoffD ermittelt.The switch-off losses E offD are determined during the fall time by integration of the switch-off power loss P offD .
Weitere Kenndaten sind der maximale Rückwärtsstrom IRRM und die Sperrverzögerungsladung Qrr. Die Sperrverzögerungsladung ist definiert als die Ladung, welche während des Schaltvorganges durch den negativen Strom aus der Raumladungszone entfernt wird. Der Stromanstieg im Nulldurchgang diF/dt wird ermittelt zwischen +/– 25% des maximalen Rückstromes.Other characteristics are the maximum reverse current I RRM and the reverse recovery charge Q rr . The reverse recovery charge is defined as the charge that is removed from the space charge zone during the switching process by the negative current. The current increase at the zero crossing di F / dt is determined between +/- 25% of the maximum return current.
4.4.2. Tools zur Auswertung der Simulation4.4.2. Tools for evaluation of the simulation
Im Rahmen dieser Arbeit sind Auswertungsmakros entstanden, die es ermöglichen die definierten Kenndaten automatisiert während der Simulation aus den Strom- und Spannungsverläufen zu ermitteln. Umfangreiche Arbeitspunktuntersuchungen können so sehr effizient durchgeführt werden. Die Auswertungsmakros werden nachfolgend zu Dokumentationszwecken kurz erläutert.in the As part of this work, evaluation macros have emerged that make it possible The defined characteristics are automated during the simulation to determine from the current and voltage curves. extensive Operating point examinations can be carried out very efficiently become. The evaluation macros are for documentation purposes below briefly explained.
4.4.2.1. Schaltenergiemakro (SEM)4.4.2.1. Switching power macro (SEM)
Das Schaltenergiemakro hat die Eingänge
- – Schalterstrom is,
- – Schalterspannung us,
- – Gate-Source-Spannung uGS,
- – Laststrom iL und
- – das Ansteuersignal X und die Ausgänge
- – Einschaltverlustenergie Eon,
- – Ausschaltverlustenergie Eoff und
- – Zustand des Schaltenergiemakros str.
- - switch current is,
- - switch voltage us,
- Gate-source voltage u GS ,
- - load current i L and
- - The drive signal X and the outputs
- - switch-on loss energy E on ,
- - Turn-off power E off and
- - condition of the switching power macro str.
Die Ausschaltverlustenergie wird in Zustand 4 berechnet: The switch-off loss energy is calculated in condition 4:
Dazu muss die Treiberspannung VDr vorgegeben werden. Die Integrationsgrenzen (IG) können bei Anwendung anderer Definitionen über die folgenden Faktoren angepasst werden:
- – ugs_OGW_SEM: Modifikation der unteren IG von Eoff,
- – ugs_UGW_SEM: Modifikation der unteren IG von Eon und
- – is_UGW_SEM: Modifikation der oberen Integrationsgrenze von Eon.
- - ugs_OGW_SEM: modification of the lower I G of E off ,
- - ugs_UGW_SEM: Modification of the lower I G of E on and
- - is_UGW_SEM: Modification of the upper integration limit of E on .
In Zustand 0 ist der Transistor aus- und in Zustand 3 eingeschaltet, sodass hier keine Anteile der Schaltverluste ermittelt werden. Das Schaltenergiemakro kann außerdem durch eine geeignete Auswahl der Inputgrößen die Verluste aus den simulierten Chip- und Messgrößen ermitteln und so im Vergleich zur realen Messung zusätzliche Informationen generieren.In State 0, the transistor is off and on in state 3, so that no shares of the switching losses are determined here. The Schaltergiemakro can also by a suitable selection the inputs sizes the losses from the simulated ones Determine chip and measured quantities and so in comparison Generate additional information for real measurement.
4.4.2.2. Schaltzeitenmakro (SZM)4.4.2.2. Switching time macro (SZM)
Das SZM hat dieselben Eingänge wie das Schaltenergiemakro und folgende Ausgänge:The Tractor has the same inputs as the switching power macro and following outputs:
- – Einschaltverzögerungszeit td(on), - switch-on delay time t d (on),
- – Anstiegszeit tr,Risetime t r ,
- – Ausschaltverzögerungszeit td(off) - switch-off delay time t d (off)
- – Abfallzeit tf und- Fall time t f and
- – Zustand des Schaltzeitenmakros str.- Status of the switching time macro str.
Die Einschaltverzögerungszeit wird in Zustand 1: die Anstiegszeit in Zustand 2: die Ausschaltverzögerungszeit in Zustand 4: und die Abfallzeit in Zustand 5: ermittelt. Dazu muss die Treiberspannung VDr vorgegeben werden. Die Integrationsgrenzen (IG) können bei Anwendung anderer Definitionen über die folgenden Faktoren verändert werden:
- – ugs_OGW_SZM: Modifikation der unteren IG von td(off),
- – ugs_UGW_SZM: Modifikation der unteren IG von td(on),
- – is_OGW_SZM: Modifikation der oberen IG von tr und td(off) und
- – is_UGW_SZM: Modifikation der oberen IG von td ( on ) und tf bzw. Modifikation der unteren IG von tr.
- - ugs_OGW_SZM: Modification of the lower IG of t d (off) ,
- - ugs_UGW_SZM: Modification of the lower IG of t d (on) ,
- - is_OGW_SZM: modification of the upper IG of t r and t d (off) and
- - is_UGW_SZM: Modification of the upper IG of t d ( on ) and t f or modification of the lower IG of t r .
In den Zuständen 0 und 3 erfolgt keine Berechnung. Sie dienen lediglich als Übergang bis zum nächsten Schaltvorgang.In the states 0 and 3 are not calculated. They serve just as a transition to the next switching operation.
4.4.2.3. Diodenkenndatenmakro (DKDM)4.4.2.3. Diode Characteristic Macro (DKDM)
Das Diodenkenndatenmakro hat die EingängeThe Diode code macro has the inputs
- – Schalterstrom is,- switch current is,
- – Schalterspannung us,- switch voltage us,
- – Messspannung vds- measuring voltage vds
- – Laststrom iL und- load current i L and
- – das Signal XR und die Ausgänge- the signal X R and the outputs
- – Speicherzeit ts,Storage time t s ,
- – Abfallzeit tf,- fall time t f ,
- – Sperrverzögerungszeit trr,- reverse delay time t rr ,
- – Rückstromspitze IRRM,Reverse current I RRM ,
- – Sperrverzögerungsladung Qrr,Reverse recovery charge Q rr ,
- – Stromanstieg im Nulldurchgang di/dt,- current increase at the zero crossing di / dt,
- – Ausschaltverlustenergie EoffD bzw. EoffDchip und- Off loss energy E offD or E offDchip and
- – Zustand des Diodenkenndatenmakros str.- Status of the diode data macro str.
ZR ist ein logisches, außerhalb vom DKDM erzeugtes Signal, mit dessen Hilfe der Beginn (ZR = 1) des Rückstromabrisses ermittelt wird. Es kann aus den Zuständen des Schalter modells erzeugt werden, in dem der Zustand des als Freilaufdiode fungierenden Schalters durch 4 geteilt und das entstehende Signal als Eingang von XR verwendet wird. Die 4 begründet sich darin, dass das Schaltermodell zum Zeitpunkt des Rückstromabrisses in den Zustand 4 übergeht. Somit ist zu diesem Zeitpunkt XR = 1 und die Strukturumschaltung im DKDM von Zustand 5 in Zustand 6 kann erfolgen.Z R is a logical signal generated outside of the DKDM, with the aid of which the beginning (Z R = 1) of the reverse current breakdown is determined. It can be generated from the states of the switch model, in which the state of the acting as a freewheeling diode switch divided by 4 and the resulting signal is used as the input of X R. 4 is based on the fact that the switch model transitions to state 4 at the time of the reverse current demolition. Thus, at this time, X R = 1, and the structure switching in the DKDM from state 5 to state 6 can be made.
Die Kenndaten werden mit Hilfe der folgenden Gleichungen ermittelt: The characteristics are determined using the following equations:
Die Zustände 0 und 1 sind Hilfszustände, deren Zweck vorrangig drin besteht, das Makro, das durch eine äußere Beschaltung zu jedem beliebigen Zeitpunkt eingeschaltet werden kann, definiert in den Bereich zu bringen, wo die Diode leitend ist, um dann die Kenndaten während des anschließenden Ausschaltens der Diode zu ermitteln. Die Zustande 0 und 1 haben jedoch keinen Einfluss auf die Ermittlung der Kenndaten. Der Zustand 2 dient der Bestimmung des Schalterstromes zum Zeitpunkt t4. Die etwas umständliche Ermittlung der Stromdifferenz ΔI liegt in denn überarbeitungsbedürftigen Sample&Hold-Makro begründet.The states 0 and 1 are auxiliary states whose purpose is primarily to bring the macro, which can be switched on by an external circuit at any time, defined in the range where the diode is conducting, and then the characteristics during the subsequent Turn off the diode to determine. However, states 0 and 1 have no influence on the determination of the characteristic data. State 2 is used to determine the switch current at time t 4 . The somewhat cumbersome determination of the current difference .DELTA.I is due to the need for revision Sample & Hold macro.
4.4.3. Auswertung der Simulation und Vergleich mit den Messdaten4.4.3. Evaluation of the simulation and comparison with the measured data
Mit
den dokumentierten Auswertungstools (vgl. Kapitel 4.4.2. – Tools
zur Auswertung der Simulation) wurde unter Einbindung der in
Bezug
nehmend auf
Die im Abschnitt 4.4.1. definierten Kennwerte wurden sowohl aus der Messung als auch aus der Simulation ermittelt und sind nachfolgenden Unterabschnitten in Abhängigkeit vom Gatewiderstand RG und dem Drainstrom ID für das Ein- und Ausschalten gegenübergestellt. Generell gilt für die Beschriftung der Kennlinien in den Abbildungen:
- • Der Index „mess" steht für die tatsächlich gemessenen Verläufe. Die Messdaten sind fast ausschließlich am unteren Schalter generiert worden. Ist das nicht der Fall, wird darauf gesondert hingewiesen.
- • Die Indizes „1" und „2" beziehen sich grundsätzlich auf die Simulation der Messgrößen und die daraus ermittelten Kennwerte. „1" symbolisiert den oberen Schalter, „2" den unteren MOSFET in der Tiefsetzstellerschaltung (vgl. Abschnitt 4.2.3).
- • Bei den Schaltverlusten werden die aus den simulierten Messgrößen ermittelten Werte denen gegenübergestellt, die aus den simulierten Chipgrößen bestimmt wurden.
- Letztere erhalten dann die Indizes „chip1" und „chip2", wobei „1" bzw. „2" wieder für den oberen bzw. den unteren Schalter steht.
- • The index "mess" stands for the actually measured gradients The measured data was almost exclusively generated at the lower switch, if not, it will be pointed out separately.
- • The indices "1" and "2" basically refer to the simulation of the measured quantities and the characteristic values determined from them. "1" symbolizes the upper switch, "2" the lower MOSFET in the step-down converter circuit (see section 4.2.3).
- • In the case of switching losses, the values determined from the simulated measured variables are compared with those determined from the simulated chip sizes.
- The latter then receive the indices "chip1" and "chip2", where "1" or "2" again stands for the upper or the lower switch.
Besondere Bedeutung bekommen bei den Untersuchungen die Ausschaltparameter, denn diese verursachen den größeren Anteil an den Schaltverlusten. Um diese Aussage zu bekräftigen, werden für den Arbeitspunkt VDClink = 30 V, IL = 150 A, RG = 10 Ω und TJ = 25°C die Ein- und Ausschaltverluste sowie die Ein- und Ausschaltzeiten einander gegenübergestellt, die aus den Messdaten gewonnen wurden:
- • Eon = 0,41 mJ zu Eoff = 0,69 mJ verhält sich wie 1:1,68.
- • ton = 202 ns zu toff = 472 ns verhält sich wie 1:2,34.
- • E on = 0.41 mJ to E off = 0.69 mJ behaves like 1: 1.68.
- • t on = 202 ns to t off = 472 ns behaves like 1: 2.34.
Die
Messungen liefern hauptsächlich Informationen zum unteren
Schalter, da der vorliegende Messaufbau die Drainstrommessung nur
im unteren Brückenteil ermöglicht. Die Simulation
generiert darüber hinaus auch wichtige Anhaltspunkte über
den oberen Schalter und die Verluste, die beim Schalten im Chip
entstehen. Außerdem wird der Einfluss der internen Induktivitäten
des oberen und unteren Schalters auf die Schaltenergien und Schaltzeiten
deutlich. Die ermittelten internen Induktivitäten sind
in folgender Tabelle noch einmal zusammengefasst (vgl. Unterabschnitt
4.2.2.2. – Bestimmung der Induktivitäten und Widerstände):
Hierin bestehen die einzigen Unterschiede der Parametrierung der beiden MOSFETs.Here in the only differences are the parameterization of the two MOSFETs.
Bevor nun in den folgenden Unterabschnitten die Ergebnisse der simulativen Arbeitspunktuntersuchungen ausgewertet und beurteilt werden, soll noch einmal – wenngleich etwas philosophisch – klargestellt werden, dass ein Modell eine Vorstellung der Wirklichkeit ist.Before now in the following subsections the results of the simulative Working point examinations should be evaluated and evaluated once again - albeit philosophically - clarified that a model is an idea of reality.
Innerhalb dieser Vorstellung gelten eine Reihe von Regeln, die die Größen des Modells in Beziehung zu Beobachtungen setzen. Ein gutes Modell muss eine große Klasse von Beobachtungen beschreiben (z. B. das Ausgangskennlinienfeld oder das Durchlassverhalten der Diode) und Vorhersagen über künftige Beobachtungen ermöglichen (z. B. Schaltverläufe). Die Qualität der Simulation hängt stark von der Modellvorstellung der realen Schalter, der Simulationsumgebung und den Vereinfachungen, die im Rahmen dieses Modells gemacht werden, ab. Es wird in der Erstellung eines Modells immer Vereinfachungen geben. Diese verschiedenen Vereinfachungen können entweder in dieselbe Richtung oder entgegengesetzt wirken, sodass sie sich verstärken oder abschwächen, bestenfalls auch aufheben können. Bei der Beurteilung der Abweichungen der simulierten Kennwerte wird jedoch nur auf die Modellvorstellung der Rückwirkungskapazität eingegangen, alle anderen Fehlerquellen bleiben unbeachtet, da eine richtige Fehlerbetrachtung aufgrund der Komplexität des Modells den Rahmen dieser Arbeit völlig sprengen würde. Trotzdem nennt die folgende Aufzählung noch einige weitere Ursachen für Abweichungen zwischen Messung und Simulation, ohne jedoch einen Anspruch auf Vollständigkeit zu erheben:
- • Folgende Vereinfachungen, die bei der Nachbildung des Gatekreises vorgenommen worden sind (vgl. Abschnitt 4.1.5), haben einen relativ starken Einfluss auf die Kennwerte: – die konstante Gate-Source-Kapazität CGS, – die Vernachlässigung der internen Gateinduktivität, – die Vernachlässigung sonstiger Induktivitäten im Gatekreis und – die unzureichende Berücksichtigung der ohmschen Widerstände im Gatekreis.
- • Außerdem könnte die in Unterkapitel 3.8. dargelegte Modellvorstellung der Kapazitäten die Wirklichkeit nicht ausreichend genau widerspiegeln und so Abweichungen verursachen.
- • Die Modellierung und Parametrierung der Messumgebung entspricht nicht genau dem tatsächlichen Messaufbau.
- • Denkbar ist grundsätzlich auch, dass die der Messmethode zugrunde liegenden Messfehler zu einer Verfälschung der Ergebnisse führen und die Wirklichkeit irgendwo zwischen der Simulation und der Messung liegt.
- • The following simplifications made in the simulation of the gate circuit (see section 4.1.5) have a relatively strong influence on the characteristic values: - the constant gate-source capacitance C GS , - neglecting the internal gate inductance, - the neglect of other inductances in the gate circuit and - the insufficient consideration of the ohmic resistances in the gate circuit.
- • In addition, the subchapter 3.8. The modeling of capacities presented above does not sufficiently reflect reality and thus cause deviations.
- • The modeling and parameterization of the measurement environment does not exactly match the actual measurement setup.
- • In principle it is also conceivable that the measuring errors on which the measuring method is based lead to a falsification of the results and the reality lies somewhere between the simulation and the measurement.
4.4.3.1. Auswertung der Ausschaltparameter der MOSFET-Brücke4.4.3.1. Evaluation of the switch-off parameters the mosfet bridge
Ausschaltzeiten in Abhängigkeit vom Gatewiderstand RG Off times as a function of the gate resistance R G
Die
Abbildungen
Nachfolgende Aussagen lassen sich aus den Abbildungen ableiten:
- • Mit steigendem Gatewiderstand RG steigt auch die Ausschaltverzögerungszeit td(off).
- • Die Ausschaltverzögerungszeit td(off) ist
in der Simulation größer als in der Messung. Vergleicht
man die td(off) der Messung mit td(off) der Simulation des unteren Schalters,
so weicht die simulierte Ausschaltverzögerungszeit bis
zu 20% von der dazugehörigen gemessenen Zeit ab. Die Ursache
dafür liegt hauptsächlich in der verwendeten Crss-Kennlinie.
Die in Abschnitt 3.5. dargelegte Ermittlung der Crssdiff-Kennlinien
zeigt, dass die Kennlinie, beginnend bei negativen Drain-Gate-Spannungen,
zunächst auf ein lokales Maximum ansteigt und dann absinkt,
bevor sie bei größeren positiven Drain-Gate-Spannungen
in Abhängigkeit vom Gatewiderstand wieder ansteigt (vgl.
47 ). Die für diese Untersuchung verwendete Kennlinie weist diese typische Charakteristik jedoch nicht auf. Je langsamer geschaltet wird, umso größer ist der Einfluss falscher Kennlinienbereiche auf die Simulation. Die vereinfachte Nachbildung der Kennlinie bei negativen Drain-Gate-Spannungen verursacht so die Zunahme des Simulationsfehlers von 2% bei RG = 10 Ω auf 20% bei RG = 100 Ω. - • Der Einfluss der internen Sourceinduktivität auf die Ausschaltverzögerungszeit ist vernachlässigbar, da ein konstanter Drainstrom vorliegt (ID = IL).
- • Mit steigendem Gatewiderstand RG steigt auch die Abfallzeit tf.
- • Die simulierte Abfallzeit ist bei kleinen Gatewiderständen
größer und bei größeren Widerständen
kleiner als die der dazugehörigen Messungen. Die prozentualen
Abweichungen der Abfallzeit der Simulation von der Messung liegen
zwischen 0% und 18%. Die Ursachen für diese Diskrepanzen
liegen in der Abhängigkeit der Crssdiff-Kennlinie
vom verwendeten Gatewiderstand (vgl.
47 ). Bei schnelleren Schaltvorgängen ist der tatsächlich anliegende Wert der differentiellen Rückwirkungskapazität nach der Überspannungsspitze geringer als die Kennlinie, die in den Simulator eingebunden ist (vgl. Abschnitt 3.5.2.). Da die Simulation zur Vereinfachung nur von einer Abhängigkeit von der Drain-Gate-Spannung ausgeht, ist dieser Effekt in das Modell nicht integrierbar. Damit sind die spannungsabhängigen „Zeitkonstanten" im Gatekreis in diesem Bereich zu groß und verursachen dadurch die längere Abfallzeit während der Stromkommutierung. Bei großen Widerständen hingegen ändert sich die charakteristische Kennlinie und steigt bei großen, positiven Drain-Gate-Spannungen wieder an. Die im Simulator verwendete Kennlinie weist diese Charakteristik jedoch nicht auf. Damit sind die „Zeitkonstanten" in diesem Bereich zu klein und die Abfallzeit der Simulation ist geringer als in der zugehörigen Messung. Aufgrund der geschilderten Zusammenhänge kann die Simulation durch die Einbindung verschiedener C-Kennlinien für bestimmte Widerstandsbereiche verbessert werden. - • Der Einfluss der unterschiedlichen Sourceinduktivitäten der Halbleiterbrücke durch die diD/dt-Rückkopplung wird bei der Abfallzeit deutlich. Der Spannungsabfall über der Sourceinduktivität hebt das am Chip anliegende Gatepotential an und verzögert so das Ausschalten. Infolgedessen kann der obere Schalter viel schneller schalten als der untere, da seine Sourceinduktivität viel kleiner ist als die des unteren MOSFETs. So ist bei RG = 10 Ω die Anstiegszeit tr am oberen Schalter um 41% geringer als am unteren Schalter. Die Diskrepanz verringert sich bei langsamen Schaltverläufen (RG = 100 Ω) nur auf 15%.
- • As the gate resistance R G increases, the off-delay time td (off) also increases .
- • The switch-off delay time t d (off) is greater in the simulation than in the measurement. If the t d (off) of the measurement is compared with t d (off) of the simulation of the lower switch, the simulated switch-off delay time deviates up to 20% from the associated measured time. The reason for this lies mainly in the Crss characteristic used. The in section 3.5. The determination of the Crss diff characteristics as described above shows that the characteristic initially increases to a local maximum starting with negative drain gate voltages and then drops before it rises again with greater positive drain gate voltages as a function of the gate resistance (cf. ,
47 ). However, the characteristic used for this study does not have this typical characteristic. The slower the switch, the greater the influence of wrong characteristic areas on the simulation. The simplified simulation of the characteristic with negative drain-gate voltages thus causes the simulation error to increase from 2% at R G = 10Ω to 20% at R G = 100Ω. - • The influence of the internal source inductance on the off-delay time is negligible as there is a constant drain current (I D = I L ).
- • As the gate resistance R G increases, the fall time t f also increases .
- • The simulated decay time is greater for small gate resistances and smaller for larger resistances than for the corresponding measurements. The percentage deviations of the fall time of the simulation from the measurement are between 0% and 18%. The causes of these discrepancies lie in the dependence of the Crss diff characteristic on the gate resistance used (cf.
47 ). For faster switching operations, the actual value of the differential feedback capacitance after the overvoltage peak is less than the characteristic integrated in the simulator (see Section 3.5.2.). Since the simulation assumes only a dependence on the drain-gate voltage for the sake of simplicity, this effect can not be integrated into the model. This means that the voltage-dependent "time constants" in the gate circuit in this area are too large and thus cause the longer decay time during current commutation, whereas with large resistances the characteristic curve changes and rises again at high, positive drain-gate voltages However, the characteristic used does not have this characteristic, so that the "time constants" in this range are too small and the decay time of the simulation is lower than in the associated measurement. Due to the described relationships, the simulation can be improved by incorporating different C-characteristics for specific resistance ranges. - • The influence of the different source inductances of the semiconductor bridge by the di D / dt feedback becomes clear at the fall time. The voltage drop across the source inductance raises the gate potential applied to the chip, thus delaying the turn-off. As a result, the upper switch can switch much faster than the lower one because its source inductance is much smaller than that of the lower MOSFET. Thus, at R G = 10 Ω, the rise time t r at the top switch is 41% lower than at the bottom switch. The discrepancy only decreases to 15% with slow switching characteristics (R G = 100 Ω).
Ausschaltzeiten in Abhängigkeit von Drainstrom ID Off times as a function of drain current I D
Die
Abbildungen
- • Die Ausschaltverzögerungszeit td(off) sinkt mit steigendem Strom und ist damit abhängig davon, wo das Ausgangskennlinienfeld durchlaufen wird. So ergibt sich bei kleineren Strömen das Millerplateau bei niedrigeren Gate-Source-Spannungen als dies bei größeren Strömen der Fall ist. Demnach ist die Zeitspanne bis zum Erreichen des Millerplateaus und damit auch die Ausschaltverzögerungszeit bei kleineren Strömen länger als bei größeren Strömen.
- • Die prozentuale Abweichung der Simulation von der Messung liegt zwischen 0% und 3% und besitzt damit für die Simulation eine erstaunlich hohe Genauigkeit.
- • Bezug nehmend auf
162 ist festzustellen, dass eine Veränderung des Drainstromes kaum Einfluss auf den Bereich der negativen Drain-Gate-Spannungen der C-Kennlinie hat (vgl. Abschnitt 3.5.5.). - • Die Wirkung der internen Induktivitäten ist vernachlässigbar, da ein konstanter Drainstrom vorliegt (ID = IL).
- • Mit steigendem Drainstrom verlängert sich die Abfallzeit tf (mehr Strom kommutiert).
- • Die prozentualen Abweichungen von Messung und zugehöriger
Simulation liegen zwischen 0% und 18%. Für große
Ströme liegt die simulierte Abfallzeit zunächst über
der der Messung, bei kleinen darunter. Ursprung dieser Diskrepanzen
ist wieder die verwendete C-Kennlinie (vgl.
160 und47 ). Während bei großen Stromstärken und kleinem Gatewiderstand die tatsächlich wirkende Rückwirkungskapazität nach der Spannungsspitze kleiner ist, geht dieser Effekt bei kleineren Drainstromstärken aufgrund der langsameren Stromkommutierung nach und nach verloren und die Schalterkapazität steigt nach der Spannungsspitze weiter an. - • Die Beeinflussung des Schaltvorgangs durch die internen Sourceinduktivitäten ist sehr stark. Die Stromkommutierung am oberen Schalter ist bei großen Strömen wesentlich schneller als am unteren. So ist bei IL = 150 A die Anstiegszeit tr am oberen Schalter 41% geringer als am unteren Schalter. Die Diskrepanz verringert sich allerdings bei kleinen Strömen (IL = 10 A) auf 3%, da sich bei der Kommutierung von kleineren Strömen die Drainstromanstiege verringern.
- • The off delay time t d (off) decreases with increasing current and thus depends on where the output characteristic field is traversed. Thus, for smaller currents, the Miller plateau results at lower gate-source voltages than is the case for larger currents. Accordingly, the time to reach the Millerplateaus and thus the turn-off delay time is smaller for smaller currents than for larger currents.
- • The percentage deviation of the simulation from the measurement is between 0% and 3% and therefore has an amazingly high accuracy for the simulation.
- • Referring to
162 It should be noted that a change in the drain current has little effect on the range of the negative drain-gate voltages of the C characteristic (see Section 3.5.5.). - • The effect of the internal inductances is negligible as there is a constant drain current (I D = I L ).
- • As the drain current increases, the fall time t f increases (more current commutates).
- • The percentage deviations of the measurement and the associated simulation are between 0% and 18%. For large currents, the simulated decay time is initially above that of the measurement, with small below. The origin of these discrepancies is again the used C-characteristic (cf.
160 and47 ). While at high currents and small gate resistance, the actual acting feedback capacitance is smaller after the voltage spike, this effect is gradually lost at lower drain currents due to the slower current commutation, and the switch capacitance continues to increase after the voltage spike. - • The influence on the switching process by the internal source inductances is very strong. The current commutation at the top switch is much faster at high currents than at the bottom. Thus, at I L = 150 A, the rise time t r at the upper switch is 41% lower than at the lower switch. The discrepancy, however, decreases to 3% for small currents (I L = 10 A), since the commutation of smaller currents reduces the drain current increases.
Ausschaltenergie in Abhängigkeit vom Gatewiderstand RG Switch-off energy as a function of the gate resistance R G
Es ist Folgendes festzustellen:
- • Die Ausschaltverlustenergie nimmt mit steigendem Gatewiderstand zu.
- • Die aus der Simulation ermittelten Ausschaltverluste sind größer als die der zugehörigen Messung. Die Diskrepanz zwischen tatsächlicher Messung und zugehöriger Simulation liegt zwischen 18% bei RG = 10 Ω und 15% bei RG = 100 Ω. Die Ursache dieser Abweichungen findet sich in der Verlustbestimmung von Simulation und Messung. Während die Simulation die Einschaltverluste entsprechend der Definition in Abschnitt 4.4.1. ermittelt, werden in der Messdatenauswertung die Verluste nur während der Strom- und Spannungskommutierung bestimmt. Die simulativen Einschaltverluste enthalten somit gewissermaßen noch einen Anteil an Durchlassverlusten.
- • Die Ausschaltverluste am oberen und unteren Schalter sind nahezu identisch, da in beiden Schaltern dieselben Kapazitäten umgeladen werden müssen. Das heißt natürlich nicht, dass die Verluste völlig unabhängig von den Induktivitäten sind. Vielmehr muss hier differenziert werden. Die Verluste sind sehr wohl abhängig von der gesamten Kommutierungsinduktivität. Sie scheinen jedoch relativ unabhängig davon zu sein, wie diese Induktivität im Kommutierungskreis verteilt ist. Die letzte Aussage sollte durch entsprechende Simulationen überprüft werden.
- • Die kürzere Abfallzeit des oberen Schalters
verursacht größere Überspannungen am
Schalter, sodass die Verluste am oberen und unteren Schalter einander
letztendlich entsprechen. (Die Ausschaltverzögerungszeiten
(vgl.
163 ) der beiden MOSFETs entsprechen sich.)
- • The turn-off loss energy increases with increasing gate resistance.
- • The switch-off losses determined from the simulation are greater than those of the associated measurement. The discrepancy between the actual measurement and the associated simulation is between 18% at R G = 10 Ω and 15% at R G = 100 Ω. The cause of these deviations can be found in the loss determination of simulation and measurement. During the simulation, the turn-on losses as defined in Section 4.4.1. determined, the losses are determined in the measurement data evaluation only during the current and voltage commutation. The simulative switch-on losses thus to a certain extent still contain a proportion of forward losses.
- • The turn-off losses at the top and bottom switches are nearly identical, as the same capacitances must be reloaded in both switches. Of course, this does not mean that the losses are completely independent of the inductances. Rather, it must be differentiated here. The losses are very dependent on the total commutation inductance. However, they appear to be relatively independent of how this inductance is distributed in the commutation circuit. The last statement should be checked by appropriate simulations.
- • The shorter fall time of the upper switch causes greater overvoltages on the switch, so that the losses at the top and bottom switch ultimately correspond to each other. (The switch-off delay times (cf.
163 ) of the two MOSFETs are the same.)
Die
Abbildungen
- • Die Ausschaltverluste am Chip sind höher als zwischen den Messpunkten, da die Spannungsabfälle über der Drain- und der Sourceinduktivität die Messspannung gegenüber der Chipspannung beim Einschalten verringern.
- • Der Unterschied zwischen Mess- und Chipspannung ist am unteren MOSFET größer als am oberen, da die Induktivitäten im unteren Schalter größer sind als im oberen. Mit steigendem Gatewiderstand verringert sich der Einfluss. So weichen am oberen Schalter die Ausschaltenergien im Chip zwischen 3% bei RG = 10 Ω und rund 0% bei RG = 100 Ω von den Verlusten zwischen den simulierten Messpunkten ab. Am unteren Schalter liegt die Diskrepanz zwischen 9% bei RG = 10 Ω und 1% bei RG = 100 Ω.
- • The turn-off losses on the chip are higher than between the measuring points, since the voltage drops across the drain and the source inductance are the measuring voltage compared to the chip voltage at switch-on reduce.
- • The difference between the measurement voltage and the chip voltage is greater at the lower MOSFET than at the upper one, since the inductances in the lower switch are larger than in the upper one. As the gate resistance increases, the influence decreases. For example, at the upper switch, the switch-off energies in the chip deviate from 3% at R G = 10Ω to around 0% at R G = 100Ω from the losses between the simulated measuring points. At the lower switch the discrepancy lies between 9% at R G = 10 Ω and 1% at R G = 100 Ω.
Ausschaltenergie in Abhängigkeit von Drainstrom ID Switch-off energy as a function of drain current I D
- • Bei steigendem Drainstrom nehmen die Verluste zu.
- • Die simulierten Verluste sind höher als die zugehörigen gemessen. Die Abweichung der simulierten Verluste des unteren Schalters von den Messungen liegen zwischen 18% bei IL = 150 A und 11% bei IL = 10 A.
- • As the drain current increases, the losses increase.
- • The simulated losses are higher than the associated measured. The deviation of the simulated losses of the lower switch from the measurements are between 18% at I L = 150 A and 11% at I L = 10 A.
Die
Darstellungen
- • Die Verluste am Chip sind höher als die zwischen den Drain- und Sourceanschlüssen ermittelten.
- • Der Einfluss der internen Induktivitäten auf die Verluste bei kleineren Drainstromstärken geht gegen Null. So sind am unteren Schalter die Verluste am Chip bei IL = 150 A um 9% größer als und bei IL = 10 A genauso groß wie die Einschaltverluste, die aus den Messungen ermittelt werden. Am oberen Schalter betragen die Abweichungen 3% bei IL = 150 A und rund 0% bei IL = 10 A.
- • The losses on the chip are higher than those determined between the drain and source connections.
- • The influence of the internal inductances on the losses at lower drain currents goes to zero. At the lower switch, the losses on the chip at I L = 150 A are 9% greater than and at I L = 10 A are the same as the switch-on losses, which are determined from the measurements. At the upper switch, the deviations are 3% at I L = 150 A and around 0% at I L = 10 A.
Folgendes Resümee ergibt sich für die Ausschaltzeiten und -verluste:
- 1. Die Simulationsergebnisse der Ausschaltverzögerungszeit td(off) lassen sich durch eine Korrektur der verwendeten Rückwirkungskapazitätskennlinie bei negativen Drain-Gate-Spannungen verbessern.
- 2. Die Nachbildung der Rückwirkungskapazitätskennlinie beeinflusst auch die Simulation der Abfallzeit tf. Es ist zu erwägen, verschiedene Kennlinien für bestimmte Widerstandsbereiche in den Simulator zu integrieren (vgl. Abschnitt 3.5.2.).
- 3. Die Simulation der Ausschaltverluste Eoff liefert Informationen zu den Verlusten, die am Chip entstehen. Diese sind höher als die Verluste, die aus den simulierten Messungen ermittelt werden.
- 4. Die prozentualen Abweichungen der simulierten Verluste im Chip und zwischen den Messpunkten lassen sich auf die tatsächlichen Messungen übertragen. (Die Verläufe der Kennlinien Eoff1 und Eoffchip1 bzw. Eoff2 und Eoffchip2 sind ähnlich. Unter Berücksichtigung der Abweichungen zwischen Eoffmess und Eoff2 können damit die tatsächlichen Chipverluste abgeschätzt werden.)
- 5. Die Verläufe der simulierten Ausschaltzeiten und -verlustenergien in Abhängigkeit von RG und ID sind den Messverläufen sehr ähnlich. Die Abweichungen zwischen Simulation und dazugehöriger Messung betragen maximal 20%. Diese Genauigkeit ist für eine Simulation ausreichend und steht für die Stabilität des Modells.
- 6. Generell ist eine Verbesserung der Simulationsergebnisse durch Umsetzung der Erkenntnisse aus Abschnitt 3.5. zu erwarten.
- 1. The simulation results of the off delay time t d (off) can be improved by correcting the used feedback capacitance characteristic at negative drain gate voltages.
- 2. The simulation of the feedback capacitance characteristic also influences the simulation of the decay time t f . It should be considered to integrate different characteristics for certain resistance ranges into the simulator (see section 3.5.2.).
- 3. The simulation of the switch- off losses E off provides information about the losses that occur on the chip. These are higher than the losses that are determined from the simulated measurements.
- 4. The percentage deviations of the simulated losses in the chip and between the measuring points can be transferred to the actual measurements. (The paths of the characteristics Eoff 1 and Eoff Chip1 or Eoff 2 and Eoff Chip2 are similar. Taking into account the deviations between measured and Eoff Eoff 2, the actual chip losses can be estimated with it.)
- 5. The curves of the simulated switch-off times and energy losses as a function of R G and I D are very similar to the measurement curves. The deviations between simulation and associated measurement amount to a maximum of 20%. This accuracy is sufficient for a simulation and represents the stability of the model.
- 6. In general, an improvement of the simulation results by implementing the findings from section 3.5. expected.
4.4.3.2. Einstellung der Diodenzeitkonstanten4.4.3.2. Setting the diode time constants
Das Reverse-Recovery-Verhalten der Inversdiode wird mit Hilfe von zwei Verzögerungsgliedern und deren Zeitkonstanten nachgebildet. Mit der Zeitkonstanten Td wird die Höhe der Rückstromspitze eingestellt und mit Trr die Diodenabfallzeit. Dieses relativ primitive Diodenmodell erfordert ein aufwendiges Einstellen der Diodenzeitkonstanten durch einen Abgleich von Simulation und Messungen für jeden untersuchten Arbeitspunkt:
- • Wird der untere Schalter als Freilaufdiode verwendet, so wird zunächst mit Td die Rückstromspitze IRRM2 der Diode D2 so eingestellt, dass sie der Rückstromspitze IRRMmess der Messung entspricht. Danach wird T, so angeglichen, dass die Diodenabfallzeiten von Simulation und Messung übereinstimmen.
- • Wird der obere Schalter als Freilaufdiode verwendet, muss die Einstellung der Parameter Td und Trr entsprechend durch Abgleich des Drainstromverlaufs des unteren MOSFETs erfolgen, da der Strom durch den oberen MOSFET bzw. seine Inversdiode mit dem vorliegenden Messaufbau nicht gemessen werden kann.
- • If the lower switch is used as a freewheeling diode, the reverse current peak I RRM2 of the diode D2 is first adjusted with T d so that it corresponds to the reverse current peak I RRMmess of the measurement. Thereafter, T is adjusted so that the diode fall times of simulation and measurement match.
- • If the upper switch is used as a freewheeling diode, the adjustment of the parameters T d and T rr must be done by adjusting the drain current characteristic of the lower MOSFET, as the current through the upper MOSFET or its inverse diode can not be measured with this test setup.
Die
sich daraus ergebenden Parameter sind in
Da
die nachfolgende Auswertung der Einschaltparameter zeigt, dass sich
das Reverse-Recovery-Verhalten der Diode durch Td und
Trr nachbilden lässt, stellt sich
die Frage, ob durch weiterführende Messungen und Analysen
ein mathematischer Zusammenhang für diese beiden Parameter
ableitbar ist. So zeigen die Abbildungen
Falls aus diesen Darstellungen ein Zusammenhang ableitbar sein sollte, der in den Simulator integrierbar ist, könnte so dem Anwender das aufwendige Einstellen der Zeitkonstanten erspart werden. Die Ermittlung eines solchen Zusammenhangs ist jedoch keineswegs trivial und würde den Rahmen dieser Arbeit sprengen. Nachfolgend werden noch einige (unvollständige) Hinweise gegeben, was zu bedenken ist:
- • Td scheint
vor allem vom Stromanstieg abhängig zu sein (vgl.
178 ). - • Die Herleitung eines Zusammenhangs für Trr. ist wesentlich komplizierter. An dieser
Stelle muss darauf hingewiesen werden, dass der Parameter Trr sich nur auf die Abfallzeit der Diode
bezieht, trr in der Darstellung
177 jedoch auf die gesamte Sperrverzögerungszeit. Es gilt durch Messungen und Simulation zu untersuchen, inwiefern Trr im Simulator nur vom reinen Rückstromabriss abhängt – der die verbleibende Restladung ausräumt, welche hauptsächlich aus der Sperrschichtkapazität stammt – oder ob auch die Aufsteuereffekte und die Entlastung durch die Schalterkapazitäten einen Einfluss auf diesen Parameter haben. Durch Messungen, die durch Anlegen einer negativen Gatespannung bzw. durch Verwendung kleiner Gatewiderstände im Gatekreis des als Diode betriebenen MOSFETs gezielt das Aufsteuern verhindern, können zumindest die Aufsteuereffekte ausgeschlossen werden. Es besteht jedoch die Gefahr, dass die Diode durch solche Messungen zerstört wird (vgl. 2.2.3.).
- • T d seems to depend mainly on the current increase (cf.
178 ). - • The derivation of a connection for T rr . is much more complicated. It should be noted at this point that the parameter T rr refers only to the decay time of the diode, t rr in the illustration
177 however, on the total reverse delay time. By means of measurements and simulation, it is necessary to investigate to what extent T rr in the simulator depends only on pure reverse current breakdown - which removes the remaining residual charge, which mainly derives from the junction capacitance - or if the control effects and the discharge through the switch capacities also have an influence on this parameter , At least the control effects can be ruled out by measurements which selectively prevent the triggering by applying a negative gate voltage or by using small gate resistances in the gate circuit of the diode-operated MOSFET. However, there is a risk that the diode will be destroyed by such measurements (see 2.2.3.).
4.4.3.3. Auswertung der Einschaltparameter der MOSFET-Brücke4.4.3.3. Evaluation of the switch-on parameters the mosfet bridge
Einschaltzeiten in Abhängigkeit von Gatewiderstand RG Switch-on times as a function of gate resistance R G
Die
Abbildungen
Nachstehende Aussagen lassen sich aus den Abbildungen ableiten:
- • Mit steigendem Gatewiderstand RG steigt auch die Einschaltverzögerungszeit td(on).
- • Die Einschaltverzögerungszeit td(on) ist
in der Simulation kleiner als in der Messung. Vergleicht man die td(on)
der Messung mit td(on) der Simulation des
unteren Schalters, so weicht die simulierte Zeit zwischen 30% und
32% von der dazugehörigen gemessenen Zeit ab. Hauptgrund
für diese starke Abweichung ist wieder die Modellierung
der Crss-Kennlinie. Die Crss-Kennlinie in
160 unterscheidet sich bei positiven Drain-Gate-Spannungen von den Crssdiff-Kennlinien, die in Abschnitt 3.5. bestimmt werden (vgl.47 ). So fehlt beispielsweise das Ansteigen der differentiellen Kapazität bei größeren positiven Drain-Gate-Spannungen. Somit ist die Rückwirkungskapazität zu Beginn der Kommutierung zu klein und damit auch die spannungsabhängigen „Zeitkonstanten" im Gatekreis. - • Der Einfluss der internen Sourceinduktivität auf die Einschaltverzögerungszeit ist vernachlässigbar.
- • Mit steigendem Gatewiderstand RG steigt auch die Anstiegszeit tr.
- • Die Anstiegszeit tr ist in der Simulation kleiner als in der Messung. Die prozentuale Abweichung der Simulation von der Messung steigt von 1% bei RG = 10 Ω Ohm auf 25% bei RG = 100 Ω an. Der Grund für diese stark ansteigende Abweichung ist wieder vorrangig in der verwendeten C-Kennlinie zu finden. Das typische Ansteigen bei größeren positiven Drain-Gate-Spannungen bei größeren Gatewiderständen ist in der verwendeten Kennlinie nicht enthalten (vgl. Abschnitt 3.5.3.). Dadurch entstehen vor allem zu Beginn der Stromkommutierung kleinere „Zeitkonstanten" im Gatekreis.
- • Der Einfluss der unterschiedlichen Sourceinduktivitäten der Halbleiterbrücke wird bei der Anstiegszeit bzw. der Stromkommutierung deutlich. Die Rückkopplung über die Sourceinduktivität verlangsamt die Stromkommutierung, da das am Chip anliegende Gatepotential durch die Spannung über der internen Sourceinduktivität verringert wird. Deshalb schaltet der obere MOSFET mit LS1 = 0,5 nH schneller als der untere mit LS2 = 3,5 nH. Die Anstiegszeit tr ist bei RG = 10 Ω am oberen Schalter um 20% geringer als am unteren Schalter. Der Einfluss der Induktivität verringert die Anstiegszeit auch bei RG = 100 Ω noch um 11%.
- • As the gate resistance R G increases, the on-delay time td (on) also increases .
- • The switch-on delay time t d (on) is smaller in the simulation than in the measurement. Comparing the td (on) of the measurement with t d (on) of the simulation of the lower switch, the simulated time deviates between 30% and 32% of the associated measured time. The main reason for this strong deviation is again the modeling of the Crss characteristic. The Crss characteristic in
160 differs for positive drain-gate voltages from the Crss diff characteristics, which are discussed in Section 3.5. be determined (cf.47 ). For example, there is a lack of increase in differential capacitance at larger positive drain-to-gate voltages. Thus, the feedback capacitance at the beginning of the commutation is too small and thus also the voltage-dependent "time constants" in the gate circuit. - • The influence of the internal source inductance on the turn-on delay time is negligible.
- • As the gate resistance R G increases, the rise time t r also increases.
- • The rise time t r is smaller in the simulation than in the measurement. The percentage deviation of the simulation from the measurement increases from 1% at R G = 10Ω ohms to 25% at R G = 100Ω. The reason for this strongly increasing deviation is again to be found primarily in the C-characteristic curve used. The typical The increase in larger positive drain-gate voltages for larger gate resistances is not included in the characteristic curve used (see Section 3.5.3.). This creates smaller "time constants" in the gate circuit, especially at the beginning of the current commutation.
- • The influence of the different source inductances of the semiconductor bridge becomes clear during the rise time or the current commutation. The feedback via the source inductance slows the current commutation because the on-chip gate potential is reduced by the voltage across the internal source inductance. Therefore, the upper MOSFET switches with L S1 = 0.5 nH faster than the lower one with L S2 = 3.5 nH. The rise time t r is 20% lower at R G = 10 Ω at the upper switch than at the lower switch. The influence of the inductance reduces the rise time even at R G = 100 Ω by 11%.
Einschaltzeiten in Abhängigkeit vom Drainstrom ID Switch-on times as a function of the drain current I D
Die
Abbildungen
Folgende Erkenntnisse lassen sich aus den beiden Diagrammen ableiten:
- • Mit steigendem Drainstrom ID steigt auch die Einschaltverzögerungszeit td(on). Entsprechend dem typischen Durchlaufen des Ausgangskennlinienfeldes, stellt sich das so genannte Millerplateau bei höheren Gatespannungen ein. Daher nimmt auch die Einschaltverzögerungszeit bei größeren Drainströmen zu.
- • Die Einschaltverzögerungszeit td(on) ist in der Simulation kleiner als in der Messung. Vergleicht man die td(on) der Messung mit td(on) der Simulation des unteren Schalters, so weicht die simulierte Zeit wieder zwischen 30% und 32% von der dazugehörigen gemessenen Zeit ab. Ursachen dafür sind an der Stelle aufgeführt, wo die Abhängigkeit der Einschaltverzögerungszeit vom Gatewiderstand behandelt wird.
- • Der Einfluss der internen Sourceinduktivität auf die Einschaltverzögerungszeit ist vernachlässigbar.
- • Mit steigendem Drainstrom ID steigt auch die Anstiegszeit tr.
- • Die Anstiegszeiten tmess und tr2 sind nahezu identisch. Die prozentualen Abweichungen der Simulation von der Messung liegen zwischen 1% und 7%. Das zeigt, dass die Anpassung der Crss-Kennlinie an einen Arbeitspunkt (VDClink = 30 V, RG = 10 Ω, IL = 150 A und TJ = 25°C) bei Veränderung des Drainstromes unter sonst gleichen Bedingungen bei der Abfallzeit zu erstaunlich guten Simulationsergebnissen fuhrt.
- • Der Einfluss der unterschiedlichen Sourceinduktivitäten
der Halbleiterbrücke wird auch in
182 deutlich. Allerdings geht dieser Effekt aufgrund des Abnehmens der Stromanstiege bei kleinen Strömen immer mehr verloren. Während die Anstiegszeit tr bei ID = 150 A am oberen Schalter noch 20% geringer ist als am unteren Schalter, beträgt die Verkürzung der Anstiegszeit bei ID = 10 A nur noch 5%.
- • With increasing drain current I D , the turn-on delay time t d (on) also increases . According to the typical traversing of the output characteristic field, the so-called Miller plateau adjusts itself at higher gate voltages. Therefore, the turn-on delay time increases with larger drain currents.
- • The switch-on delay time t d (on) is smaller in the simulation than in the measurement. If the t d (on ) of the measurement is compared with t d (on) of the simulation of the lower switch, the simulated time again deviates between 30% and 32% of the associated measured time. Causes for this are listed at the point where the dependence of the turn-on delay time is treated by the gate resistance.
- • The influence of the internal source inductance on the turn-on delay time is negligible.
- • As the drain current I D increases, the rise time t r also increases.
- • The rise times t mess and t r2 are almost identical. The percentage deviations of the simulation from the measurement are between 1% and 7%. This shows that the adaptation of the Crss characteristic to an operating point (V DClink = 30 V, R G = 10 Ω, I L = 150 A and T J = 25 ° C) changes the drain current under otherwise identical conditions at the fall time leads to amazingly good simulation results.
- • The influence of the different source inductances of the semiconductor bridge is also shown in
182 clear. However, this effect is lost more and more due to the decrease in current increases at low currents. While the rise time t r at I D = 150 A at the upper switch is still 20% lower than at the lower switch, the reduction of the rise time at I D = 10 A is only 5%.
Einschaltenergie in Abhängigkeit vom Gatewiderstand RG Turn on energy as a function of the gate resistance R G
- • Während am unteren Schalter die Einschaltverluste Eon mit Zunahme des Gatewiderstandes RG im betrachteten Bereich immer weiter ansteigen, gehen die Verluste am oberen Schalter ab ca. RG = 80 Ω wieder leicht zurück.
- • Die aus den Messungen ermittelten Einschaltverluste sind höher als die der zugehörigen Simulation. Bewirkt wird dies vor allem durch die gegenüber der Messung verkürzten Anstiegszeiten und die dadurch entstehende Spannungsentlastung.
- • Die Diskrepanz zwischen Messung und zugehöriger Simulation beträgt bei RG = 10 Ω 12%, steigt auf bis zu 28% bei RG = 75 Ω und fällt dann bei RG = 100 Ω wieder auf 23%. In Anbetracht der Tatsache, dass die verwendete C-Kennlinie einige Mängel aufweist, sind diese Simulationsergebnisse erstaunlich gut.
- • Die Einschaltverluste am oberen Schalter sind signifikant
kleiner als am unteren Schalter. Zu begründen ist dies
mit den kleineren Anstiegszeiten (vgl.
181 ), die sich durch die unterschiedlichen Induktivitätsverhältnisse an den Schaltern ergeben.
- • While the switch- on losses E on at the lower switch continue to rise in the considered range with the increase of the gate resistance R G , the losses at the upper switch go back slightly from approx. R G = 80 Ω.
- • The starting losses determined from the measurements are higher than those of the associated simulation. This is mainly due to the shortened rise times compared to the measurement and the resulting stress relief.
- • The discrepancy between the measurement and the associated simulation is 12% at R G = 10 Ω, increases up to 28% at R G = 75 Ω and then drops back to 23% at R G = 100 Ω. Given the fact that the C-characteristic used has some shortcomings, these simulation results are surprisingly good.
- • The switch-on losses at the upper switch are significantly smaller than at the lower switch. This is justified by the smaller rise times (cf.
181 ), which result from the different inductance ratios at the switches.
Die
Abbildungen
Hinzu
kommt, dass zum Zeitpunkt des Rückstromabrisses die Spannung
VLS ihr Vorzeichen wechselt. So beeinflusst
die Sourceinduktivität zum einen indirekt über
die Drain-Gate-Spannung und zum anderen direkt über VLS im Rückstromabriss das Aufsteuern
der Schalter. Es wird auch deutlich, dass die Beeinflussung der
Drain-Gate-Spannung durch die Sourceinduktivität eine größere
Rolle spielt als die diD/dt-Rückkopplung durch
die Sourceinduktivität, da LS2 =
3,5 nH >> LS1 =
0,5 nH. Das spiegelt sich entsprechend in den Einschaltverlusten
(vgl.
- • Ab bzw. bis VF ≈ 0,5 V fließt ein Diodenstrom.
- • VL1 ≈ 0,33 V bzw. VL1 – VF ≈ –0,23V (VDr2 = 10 V, IL = 150 A, RG = 10 Ω, VDClink = 30 V)
- • VL2 ≈ 3,50 V bzw. VL2 – VF ≈ 3,00 V (VDr1 = 10 V, IL = 150 A, RG = 10 Ω, VDClink = 30 V)
- • From or to V F ≈ 0.5 V, a diode current flows.
- V L1 ≈ 0.33 V or V L1 - V F ≈ -0.23 V (V Dr2 = 10 V, I L = 150 A, R G = 10 Ω, V DC link = 30 V)
- V L2 ≈ 3.50 V or V L2 - V F ≈ 3.00 V (V Dr1 = 10 V, I L = 150 A, R G = 10 Ω, V DC link = 30 V)
Betrachtet
man nun die Kennlinie in
Ein
Vergleich der Simulation der Einschaltvorgänge des unteren
bzw. des oberen MOSFETs bei RG = 100 Ω zeigt,
dass der obere als Freilaufdiode betriebene MOSFET – wie
schon bei den Verläufen mit RG =
10 Ω – viel länger aufsteuert als der
untere (vgl.
An der vorliegenden Halbbrücke wurden auch Diodenmessungen für die Inversdiode des unteren Schalters durchgeführt. Für den oberen Schalter ist dies jedoch, wie schon oft erwähnt, im vorliegenden Messaufbau nicht möglich. Es ist allerdings zu vermuten, dass sich die obere Diode ähnlich verhält.At The present half bridge was also diode measurements performed for the inverse diode of the lower switch. For the upper switch, however, this is often the case mentioned, not possible in the present test setup. However, it is likely that the upper diode is similar behaves.
Die
Darstellungen
Die
Abbildungen
- • Die Einschaltverluste am Chip sind geringer als zwischen den Messpunkten, da die Spannungsabfälle über der Drain- und der Sourceinduktivität die Messspannung gegenüber der Chipspannung beim Einschalten erhöhen.
- • Da die Induktivitäten im unteren Schalter größer sind als im oberen, ist der Unterschied zwischen Mess- und Chipspannung am unteren MOSFET größer als am oberen. So weichen am oberen Schalter die Einschaltverluste im Chip zwischen 21% bei RG = 10 Ω und 3% bei RG = 100 Ω von den Verlusten zwischen den Messpunkten ab. Am unteren Schalter liegt die Diskrepanz zwischen 23% bei RG = 10 Ω und 7% bei RG = 100 Ω.
- • The turn-on losses on the chip are lower than between the measuring points, since the voltage drops across the drain and the source inductance increase the measuring voltage compared to the chip voltage at switch-on.
- • Since the inductances in the lower switch are larger than the upper ones, the difference between the measurement voltage and the chip voltage is greater at the lower MOSFET than at the upper one. For example, the switch-on losses in the chip between 21% at R G = 10Ω and 3% at R G = 100Ω deviate from the losses between the measuring points at the upper switch. At the lower switch the discrepancy is between 23% at R G = 10 Ω and 7% at R G = 100 Ω.
Einschaltenergie in Abhängigkeit vom Drainstrom ID Turning energy as a function of the drain current I D
Das
folgende Diagramm
- • Bei steigendem Drainstrom nehmen die Verluste zu.
- • Die simulierten Verluste sind geringer als die zugehörigen gemessenen. Die Abweichungen der simulierten Verluste des unteren Schalters von den Messungen liegen zwischen 13% bei IL = 150 A und 26% bei IL = 10 A. Die notwendigen Verbesserungen der Crss-Kennlinie wurden bereits bei den Einschaltzeiten angedeutet.
- • As the drain current increases, the losses increase.
- • The simulated losses are lower than the corresponding measured ones. The deviations of the simulated losses of the lower switch from the measurements are between 13% at I L = 150 A and 26% at I L = 10 A. The necessary improvements of the Crss characteristic were already indicated at the switch-on times.
Die
Darstellungen
- • Die Verluste am Chip sind geringer als die zwischen den Drain- und Sourceanschlüssen ermittelten.
- • Der Einfluss der internen Induktivitäten auf die Verluste bei kleineren Drainstromstärken sinkt. So sind am unteren Schalter die Verluste am Chip um 23% bei IL = 150 A und bei IL = 10 A nur um 4% geringer als die Einschaltverluste, die aus den Messungen ermittelt werden. Am oberen Schalter betragen die Abweichungen bei IL = 150 A 20% und 0% bei IL = 10 A.
- • The losses on the chip are lower than those determined between the drain and source connections.
- • The influence of the internal inductances on the losses at lower drain currents decreases. At the lower switch, for example, the losses on the chip are 23% lower at I L = 150 A and at I L = 10 A, only 4% lower than the switch-on losses, which are determined from the measurements. At the upper switch, the deviations at I L = 150 A are 20% and 0% at I L = 10 A.
Für die Simulation der Einschaltzeiten und Einschaltverluste lässt sich zusammenfassen:
- 1. Die Simulationsergebnisse
der Einschaltverzögerungszeit td(on) und
damit auch der Einschaltenergie Eon lassen
sich durch eine Korrektur der Rückwirkungskapazitätskennlinie
bei größeren Drain-Gate-Spannungen verbessern
(vgl.
160 und47 ). - 2. Die Nachbildung der Rückwirkungskapazitätskennlinie beeinflusst die Simulationsqualität der Anstiegszeit tr in Abhängigkeit vom Gatewiderstand RG viel stärker als in Abhängigkeit vom Drainstrom ID. Es ist zu erwägen, verschiedene Kennlinien für bestimmte Widerstandsbereiche in den Simulator zu integrieren (vgl. Abschnitt 3.5.2), um auch eine genauere Ermittlung der Einschaltverluste Eon zu ermöglichen.
- 3. Die Simulation der Einschaltverluste Eon liefert nicht nur zusätzliche Informationen zum oberen Schalter, sondern auch über die Verluste, die am Chip entstehen. Diese sind geringer als die Verluste, die aus den Messungen ermittelt werden.
- 4. Die Verluste des oberen Schalters weichen von den Verlusten des unteren Schalters beim Einschalten stärker ab als beim Ausschalten. Es werden zwar dieselben Kapazitäten umgeladen, jedoch entstehen durch das unterschiedliche Aufsteuerverhalten der Inversdioden unterschiedliche Verluste.
- 5. Die Verläufe der simulierten Einschaltzeiten und -verlustenergien in Abhängigkeit von RG und ID sind den Messverläufen ähnlich – in der Simulation entsteht entweder ein anderer Offset oder ein anderer Anstieg der Kennlinien. Die Abweichungen sind demnach kalkulierbar. Trotz der Abweichungen ist das Schaltermodell sehr stabil.
- 6. Eine Verbesserung der Simulationsergebnisse durch Umsetzung der Erkenntnisse aus Abschnitt 3.5. ist zu erwarten.
- 7. Nach der Untersuchung der Einschaltparameter ist aufgrund der Ähnlichkeit der ermittelten Kennlinien zu vermuten, dass die Simulation des oberen Schalters ähnliche Diskrepanzen zur Messung hat wie der untere. Mit dem vorliegenden Messaufbau ist diese Untersuchung jedoch nicht möglich.
- 1. The simulation results of the switch-on delay time t d (on) and thus also the turn-on energy E on can be improved by correcting the feedback capacitance characteristic at higher drain-gate voltages (cf.
160 and47 ). - 2. The simulation of the feedback capacitance characteristic influences the simulation quality of the rise time t r as a function of the gate resistance R G much more than in dependence on the drain current I D. It should be considered to integrate different characteristic curves for certain resistance ranges into the simulator (see section 3.5.2) in order to enable a more precise determination of the switch-on losses E on .
- 3. The simulation of the switch- on losses E on not only provides additional information about the upper switch, but also about the losses that occur on the chip. These are lower than the losses that are determined from the measurements.
- 4. The losses of the upper switch deviate more from the losses of the lower switch when switching on than when switching off. Although the same capacities are reloaded, however, different losses occur due to the different triggering behavior of the inverse diodes.
- 5. The curves of the simulated switch-on times and energy losses as a function of R G and I D are similar to the measuring curves - in the simulation, either a different offset or a different slope of the characteristic curves arises. The deviations are therefore calculable. Despite the deviations, the switch model is very stable.
- 6. An improvement of the simulation results by implementing the findings from section 3.5. is to be expected.
- 7. After examining the switch-on parameters, it is to be assumed on the basis of the similarity of the determined characteristic curves that the simulation of the upper switch has similar discrepancies to the measurement as the lower one. However, this examination is not possible with the present test setup.
Die
Abbildungen
- – Betrachtet man die Abbildungen aus Sicht des thermischen Managements – wo aufgrund der thermischen Impedanz die Summe der Verluste von Interesse sind, die in einer Pulsperiode anfallen und nicht die einzelnen Ein-, Aus- und Durchlassverluste – so liefert das Modell erstaunlich genaue Ergebnisse. Die Abweichungen zu der Messung liegen bei maximal 11%.
- – Die Kennlinien verdeutlichen, dass die Abweichungen zwischen Eon1 + Eoff1 und Eon1chip + Eoff1chip sowie zwischen Eon2 + Eoff2 und Eon2chip + Eoff2chip für den vorliegenden Messaufbau vernachlässigbar klein sind, wenn der Drainstrom im Durchlasszustand nicht signifikant ansteigt. Die gesamten Schaltverluste sind am Chip tendenziell geringer als die Verluste, die aus den Messdaten ermittelt wurden. Zwar ist dieser Unterschied in der untersuchten MOSFET-Brücke nicht von Bedeutung, doch muss das nicht immer so sein.
- - Looking at the figures from the point of view of thermal management - where, due to the thermal impedance, the sum of the losses occurring in one pulse period and not the individual input, output and forward losses is of interest, the model delivers astonishingly accurate results. The deviations from the measurement are a maximum of 11%.
- - The curves illustrate that the deviations between E on1 + E off1 and E on1chip + E off1chip as well as between E on2 + E off2 and E on2chip + E off2chip are negligibly small for the present test setup, if the drain current in the on-state does not increase significantly. The total switching losses on the chip tend to be lower than the losses that were determined from the measured data. Although this difference in the investigated MOSFET bridge is not important, this does not always have to be the case.
Ursprung für die Unterschiede sind die nichtlinearen Schalterkapazitäten. (Es kann vereinfachend von konstanten Induktivitäten ausgegangen werden, auch wenn die theoretische Elektrotechnik das Gegenteil zu belegen vermag.) Die C-Kennlinien wirken beim Ein- und Ausschalten unterschiedlich, da die Richtung des Durchlaufens entgegengesetzt ist. Damit wirken zu Beginn und so auch während der Spannungskommutierung beim Ein- und Ausschalten unterschiedliche Kapazitäten. Das beeinflusst die Verluste.origin for the differences are the nonlinear switch capacities. (For simplification, it can be assumed that the inductance is constant even if theoretical electrical engineering is the opposite can prove.) The C-curves are effective when switching on and off different, as opposed to the direction of the run is. Thus act at the beginning and so also during the voltage commutation when switching on and off different capacities. That affects the losses.
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